nuvens: formação e principais...

Nuvens: formação e principais caracterís5cas

MicaelAmoreCecchinimicael.cecchini@usp.br

Aula de hoje

•  Formaçãodenuvens• Principaiscaracterís=cas>sicas• Classificaçãodenuvens

•  Porqueestudarnuvens?•  Elascobremumaparte

significa=vadoglobo•  AfetamaformacomoaTerra

interagecomaradiaçãosolar/terrestre

•  ~1/2doalbedoplanetário•  ~1%deerronacoberturade

nuvens->mesmaordemdegrandezadoefeitoestufaantropogênico

•  Nuvenscontrolamoclima!

Graemeetal.(2012)

Balançodeenergia/radiação(Wm-2ouJs-1m-2)

Trenberthetal.(2007)

Balançohídrico(emt3/ano)

•  Oprincipal“culpado”pelasnuvenséoSol

Acúmulodeenergia

•  Sistemasnaturaisgeralmentebuscamestadodeenergiabaixo•  Logo,oacúmulodeenergia(calor)éumproblema!

•  Comoresolver?

Transportehorizontal

•  Comoresolver?

Transportever=cal

•  Comoresolver?

Aquecimentosuper>cie

•  Comoresolver?

TransformaçõesEx.evaporação

•  Qualopapeldasnuvens?

•  Contribuirparaadiminuiçãodosníveisdeenergia

•  Podemserentendidascomorespostaàsinstabilidades

•  Como? •  Efeitolíquido:resfriamentosuper>cie,aquecimentodoaracima•  Reduçãodainstabilidade

Diferentessistemasmeteorológicoscompensamainstabilidadeemdiferentesescalas

•  Caracterís=casobservacionaisdasnuvens

•  Macroescalaouescalasinó=ca:tratadosmaioressistemasmeteorológicosobservados–centenas/milharesdekm(ex.furacõesesistemasfrontais)

•  Microescala:1kmoumenos–incluipequenasnuvensindividuais,padrõesempartesdasnuvens(ex.rugosidade)eosprocessosmicro>sicos(ex.formaçãoecrescimentodegotas)

•  No“meio”dasduasescalas(1kmacentenasdekm):Mesoescala–incluiumavariedadede=posdenuvens,tantoisoladasquantoorganizadasemsistemas•  Previsãodetempododia-a-diasebaseia

empadrõesnamesoescala

Microescalatambémtratadoquehánointeriordasnuvens

Comoasnuvensseformam?

1.  Aquecimentodiferencialdasuper>cie2.  Levantamentopororografia3.  Convergênciaoulevantamentoporfrentesfrias/quentes4.  Resfriamentoradia=vo

Comoasnuvensseformam?

1.  Aquecimentodiferencialdasuper>cie

•  Solaqueceasuper>cie•  Parcelasdear

•  Ascençãoadiabá=ca•  Resfriamento->saturação->nuvens

Comoasnuvensseformam?

2.Levantamentopororografia

•  Montanhasforçamoarasubir•  Formaçãodenuvensmesmosemcondições

termodinâmicasfavoráveis

Comoasnuvensseformam?

2.Levantamentopororografia

•  Montanhasforçamoarasubir•  Formaçãodenuvensmesmosemcondições

termodinâmicasfavoráveis

Comoasnuvensseformam?

3.Convergênciaoulevantamentoporfrentesfrias/quentes

•  Convergênciademassasdearcomdiferentescaracterís=cas

•  Airfrio->maiordensidade•  Levantamentodoar

quente

•  Convergênciahorizontalcentralizada•  Levantamentodoarpor

con=nuidadedemassa

Comoasnuvensseformam?

3.Convergênciaoulevantamentoporfrentesfrias/quentes

•  Convergênciademassasdearcomdiferentescaracterís=cas

•  Airfrio->maiordensidade•  Levantamentodoar

quente

•  Convergênciahorizontalcentralizada•  Levantamentodoarpor

con=nuidadedemassa

Comoasnuvensseformam?

4.Resfriamentoradia=vo

•  Resfriamentoduranteanoite•  ReduzTmesmosemnecessitardeascenção

•  Formaneblina•  Noitesemnuvens->manhãnublada

StratusCirrus

•  ClassificaçãodeNuvens:formas

Cumulus

Nuvenscomchuva:nimbusHádiversasoutrasclassificaçõesbaseadoemcombinaçõesdessas4.Ex.:Cumulonimbus,Stratocumulus,Cirrocumulus

TIPOS DE NUVENS

cirrus

cirrostratus

cirrocumulus

cumulonimbus

altocumulus

altostratus

nimbostratus stratocumuluscumulus

stratus

❶

❷

❸

❿

❹

❺

❾❽

❼

❻

•  Alémdaforma,podemosclassificarpor...?

Emtermosdeal=tude Desenvolvimentover=cal

Sistemasdemesoegrandeescalaincluemumavariedadede=posdenuvens

•  Cumulonimbussãodegrandeinteresse,vistoqueproduzemtempestadeseraios•  “Chuvadeverão”

Cumulushumilis

Cumulusmediocris

Cumuluscongestus

•  Cumulonimbussãodegrandeinteresse,vistoqueproduzemtempestadeseraios•  Sepersis=rempor~1horaoumais,podemcobriráreasdaordemde100km

Cumulonimbus

TeoriadaParcela

•  Teoriaaplicávelprincipalmenteaconvecçãolocal(muitocomumemregiõestropicais)

•  Descriçãomatemá=cadaascensãodeparcelasdear•  Aparcelaéconsideradaisolada

•  Semtrocadecalorcomoambiente•  Aproximaçãorazoáveldesdequeaascensão

sejamaisrápidadoquepossíveistrocasdecalor

TeoriadaParcela

•  Atermodinâmicadoaréseparadaemdois:arseco+vapordeágua•  Ambossãoconsideradosgasesideais:

𝑝𝛼= 𝑅↑′ 𝑇(1)•  P=pressão,α=volumeespecífico(1/ρ),T=

temperatura,R’=constanteindividualdosgases

•  Arseco:R’=287Jkg-1K-1•  Vapor:R’=461Jkg-1K-1

•  Pelaconservaçãodeenergia(1ªLeidaTermodinâmica),temosque:

𝑑𝑞=𝑑𝑢+𝑑𝑤(2)

•  q=calor,u=energiainterna,w=trabalho,tudoporunidadedemassadearseco

TeoriadaParcela

•  Otrabalhoespecíficodwrepresentaaenergiadeexpansão/compressãodaparcela:

𝑑𝑤=𝑝𝑑𝛼•  Aenergiainternaespecíficarepresentao

aquecimento/resfriamentodaparcela:

𝑑𝑢= 𝑐↓𝑣 𝑑𝑇•  cv=calorespecíficoavolumeconstante(718Jkg-1

K-1)

•  Portanto,aconservaçãodeenergiafica:

𝑑𝑞= 𝑐↓𝑣 𝑑𝑇+𝑝𝑑𝛼(3)

TeoriadaParcela

•  Demodogeral,émaisadequadotrabalharcomvariaçõesdepressão(dp)doquecomvariaçõesdevolume(dα)naatmosfera

•  Diferenciando(1),temosque

𝑝𝑑𝛼+𝛼𝑑𝑝= 𝑅↑′ 𝑑𝑇•  Logo

𝑝𝑑𝛼= 𝑅↑′ 𝑑𝑇−𝛼𝑑𝑝(4)

•  (4)em(3)

𝑑𝑞=(𝑐↓𝑣 + 𝑅↑′ )𝑑𝑇−𝛼𝑑𝑝•  Mas

𝑐↓𝑝 (𝑑𝑞/𝑑𝑇 )↓𝑝 = 𝑐↓𝑣 +𝑅′

TeoriadaParcela

•  Assim

𝑑𝑞= 𝑐↓𝑝 𝑑𝑇−𝛼𝑑𝑝(5)•  cp = 1005 J kg-1 K-1 (calor específico a pressão

constante)•  Senãohátrocadecalor(processoadiabá=co)𝑑𝑞=0

𝑐↓𝑝 𝑑𝑇=𝛼𝑑𝑝•  Leidosgases

𝑐↓𝑝 𝑑𝑇= 𝑅↑′ 𝑇/𝑝 𝑑𝑝•  Variandocomaal=tudez

𝑑𝑇/𝑑𝑧 = 𝑅′/𝑐↓𝑝  𝑇/𝑝 𝑑𝑝/𝑑𝑧 

TeoriadaParcela

•  Vamosconsiderarqueaparcelaseajustaimediatamenteàpressãoambiente

•  Considerandoobalançohidrostá=co(gradientedepressão=gravidade):

𝑑𝑝/𝑑𝑧 =− 𝜌↑′ 𝑔= −𝑝𝑔/𝑅↑′ 𝑇↑′  •  Ondeρ’eT’sereferemaoambiente•  Assim,temosque

𝑑𝑇/𝑑𝑧 =− 𝑔/𝑐↓𝑝  𝑇/𝑇′ •  VamosconsiderarqueT≈T’(parcelanãomuitomais

quente/friaqueambiente)

TeoriadaParcela

•  Assim:

𝑑𝑇/𝑑𝑧 =− 𝑔/𝑐↓𝑝  =− Γ↓𝑑 (6)

•  Γ↓𝑑  é conhecido como dry adiaba;c lapse rate eequivalea~10°C/km

•  Essaéataxaderesfriamentoqueumaparcelasofrequandoascendeeexpande

TeoriadaParcela

•  Pode-seestudaratermodinâmicadovapordemodosimilaraoarseco•  p->e

•  Aquan=dadedeumidadeemumaparcelaqédadaemkgdeáguaporkgdear•  Semantémconstantenaparceladesdequenão

hajacondensação(formaçãodenuvem)•  q≈7kgkg-1emaltasla=tudes•  q≈15kgkg-1nostrópicos

•  Oarnãosuportaumaquan=dadeinfinitadeumidade•  Arsaturado:e=eseq=qs

•  Aumidaderela=va(ourazãodesaturação)éarazãoentreaquan=dadedevaporeolimitesuportadopelaatmosfera

𝑈𝑅= 𝑒/𝑒↓𝑠  ×100•  URéusualmentedadaem%

TeoriadaParcela

•  AmboseseqscrescemcomT•  Arquentesuportamaisumidade

𝑒↓𝑠 =6,112𝑒𝑥𝑝(17,67𝑇/𝑇+243,5 )•  𝑒↓𝑠 emhPaeTem°C

•  Conformeaparcelaascende,suaTdecresceenquantoqpermanececonstante•  Chegaummomentoqueoarnaparcelasatura!•  Mesmosemadiçãodeumidade,apenaspela

diminuiçãodeT

TeoriadaParcela

•  OnívelondeUR=100%échamadodeNíveldeCondensaçãoporLevantamento(NCL)•  Boaaproximaçãodaalturadabasedasnuvens

convec=vas•  Nessenível,T=Td(temperaturadopontodeorvalho)

ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos

z•  Comumaradiossonda,podemosmedirTeTddo

ambiente(linhapreta)•  CalculamosaevoluçãodeTconsiderandouma

parcelainicialmentenasuper>cie(linhavermelha)

•  EvoluçãoconstanteatéNCL(ouLCLeminglês)•  Lapserateadiabá=coseco

•  Apar=rdoNCLháliberaçãodecalorlatente•  Tdecaimaisdevagarcomz

ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos

z•  Forçadeempuxo:

𝑑↑2 𝑧/𝑑𝑡↑2  =𝐹↓𝐵 =𝑔(𝜌↑′ −𝜌/𝜌 )=𝑔(𝑇−𝑇′/𝑇′ )•  SeT>T’->FBéposi=vaeaparcelatendea

ascender•  SeT<T’->FBénega=vaeaparcelatendea

descender•  SeT=T’->aforçaénulaeaparcelaseguea

inércia

ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos

z•  QuantoaslinhasdeTeT’secruzampela

primeiravez•  Níveldeconvecçãolivre(LFCeminglês)

•  Nasegundavez•  Níveldeequilíbrio(ELeminglês)

ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos

z

Umamedidadaextensãover=caldanuvem

ComparandoaParcelacomoAmbiente–diagramastermodinâmicos

z•  ÁreaentreascurvasdeTeT’->integralespacial

deFB,ouseja,energia.•  T<T’->energiaqueinibeconvecção(CIN)•  T>T’->energiaquefavorececonvecção(CAPE)

•  Muitasvezesénecessárioquebrarabarreiraenergé=caCINparaalcançaroLCL•  Efeitoorográfico/frentes

CONCLUINDO•  Nuvens são formadas devido a instabilidades

dinâmicasetermodinâmicas•  Váriasescalas/formatos

•  Sãocruciaisparaobalançoclimá=codoplaneta•  Podemserformadaspordiferentesprocessos

•  Aquecimentodiferencial•  Orografia•  Convergência/frentes•  Resfriamentoradia=vo

•  Para convecção local, estudamos a formação denuvensdeacordocomateoriadaparcela•  DependedobalançoentreTeT’

CONCLUINDO•  Espero que essa figura tenha outro sen=do

agora...