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Micro&sica de nuvens quentes e interação aerossóis-nuvens

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Relembrando-TeoriadaParcela

•  Ateoriadaparceladescreveaformaçãodenuvensconvec?vas•  Contrasteentreumvolumedearisolado

(adiabá?co)eoambienteaoseuredor•  Comoaquan?dadedeumidadeqseconservana

parcela,suaURaumentaconformeascende•  LCL->UR=100%

•  ApósoLCL,haverácondensaçãodovaporexcedentequeaqueceráparcialmenteaparcela•  Tdecrescemaisdevagarcomz

•  AceleraçãodasparcelasdependedeT–T’

Auladehoje

•  Hojevamosestudaroqueaconteceapar?rdoLCL•  Comoasgotasseformam?•  Comoelascrescem?•  Comoelasinteragementresi?•  Comoachuvaseforma?

•  Achamada“MicroVsicadeNuvens”éaáreadeestudoquevisaresponderperguntascomoessas•  MicroVsicadenuvensquentes:apenaságualíquida,semconsideraraspar\culasdegelo

MicroVsicadeNuvens

•  AmicroVsicabuscaestudarosprocessosVsicosqueocorremnointeriordasnuvens

•  Ascaracterís?casinternasdasnuvensafetamdiretamente:•  Suaeficiênciaemprecipitar

(chuva)•  Interaçãocomaradiação•  Distribuiçãode?posde

hidrometeoros(águalíquida+vários?posdegelo)

•  Eletrificação•  IPCC:microVsicadenuvens,

especificamentesuarelaçãocomaerossóis,sãoamaiorfontedeincertezasparacenáriosclimá?cos

MicroVsicadeNuvens

•  AbasedamicroVsicasãoasmudançasdefasedaágua:

VaporLíquidoEvaporaçãoCondensaçãoLíquidoSólidoDerre?mentoFusãoVaporSólidoSublimaçãoDeposição

Comoseformaumagotadenuvem?

•  VamoschamararazãodesaturaçãodeS𝑆= 𝑒/𝑒↓𝑠  

•  NoLCL,S=1•  OqueocorrecomSquandoaparcelacon?nua

asubir?Épossível terURmaiordoque100%(S>1)?

•  Como o processo de condensação não éinstantâneo•  Sim,podemosterS>1•  Nesse caso, dizemos que a parcela está

supersaturada•  Definimosasupersaturaçãocomo𝑆𝑆=(𝑆−1)×100•  Em%

•  “Quantos%acimadasaturação”•  Essa quan?dade de vapor estará disponível para

condensar

Comoseformaumagotadenuvem?

•  Asmoléculasdeáguaprecisamseagruparemclusters

•  Paraumaatmosferacompletamentelimpa(apenasvapor+arseco)•  Moléculasprecisamcolidir

aleatoriamenteeseagrupar•  Quandoháformaçãodegota,diz-se

queelafoinucleada•  Nucleaçãodeáguapura=

nucleaçãohomogênea

•  Háumcustoenergé?coparamanteraestruturacoesa•  Chamadadeenergialivrede

Gibbs•  “EnergiamicroVsicadosistema”

moléculasdeH20

forçasmoleculares

Super&cieplana,águapuraSuper&ciecurva,águapura

•  LordKelvin(1879)

𝑆= exp(2𝜎/𝑅↓𝑣 𝑇𝜌↓𝐿 𝑟 ) = exp(𝑎/𝑟 ) •  EquaçãodeKelvin(1870)

•  Aumento de S é inversamenteproporcionalar

•  Mais diVci l formar go\culaspequenas

•  Tamanhodeumamoléculadeágua0,275nm=0,000275μm•  Iníciodaformaçãodeumago\cula

deáguarequerenormeSS•  Mecânicaesta\s?ca

•  Es?ma?vadeSS=O(100%)paraformar1gotaporcm3porsegundo

•  Érealís?coesperarformaçãodegotasdeáguapuranaatmosferaterrestre?

•  NucleaçãohomogêneaNÃOocorrenaatmosferanatural

•  Paradadae,háumraiocrí?corc•  r>rc:gotacresce(condensação)•  r<rc:gotadecresce(evaporação)•  r=rc:gotapermaneceestável

•  SeémuitodiVcilformargo\culaspequenas,comoelasalcançamrc?•  Oquêpermiteaformaçãodegotas

aSS~1%?

•  Efeitodosaerossóis•  Nucleaçãoheterogênea•  CondensaçãoocorrenasuperVcie

deumpar?culado,queusualmenteapresentar=O(0.1µm)

e

𝑟↓𝑐 ; 𝑒=𝑒↓𝑠 (𝑟)

•  Par\culasquepossuemafinidadecomaágua•  HigroscópicasouhidroVlicas

•  SãoconhecidascomoNúcleosdeCondensaçãodeNuvens(CCN,eminglês)•  Exemplos:NaCl(salmarinho),

(NH4)2SO4(sulfatodeamônia)•  CCNssãosolúveisemágua

•  Água+soluto=solução•  Reduzconcentraçãodemoléculas

deágua->reduzenecessárioparanucleação

•  Especialmenteeficazparagotaspequenas–mesmamassadesoluto,maior%damassadasolução

•  ReduçãodeSdevidoaosoluto•  LeideRaoult

𝑆=1−3𝑖𝑀↓𝐿 𝑚↓𝑠 /4𝜋𝜌↓𝐿 𝑀↓𝑠  1/𝑟↑3  =1−𝑏/𝑟↑3  •  M:massamolar(L–líquido;S–soluto)•  ms:massasoluto•  i:níveldedissociaçãoiônica

•  Quantosíonssãoliberadospormoléculadesoluto

•  Fatorvan’tHoff

•  Köhler(1936):combinouKelvin(curvatura)+Raoult(soluto):

𝑒↓𝑠 (𝑟)/𝑒↓𝑠,∞  =(1− 𝑏/𝑟↑3  )𝑒𝑥𝑝(𝑎/𝑟 )

Saturação

Diâmetrodagota(µm)

Efeitodacurvatura(Kelvin)

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧=

∞ ra

ere

s

s exp)(

Saturação



⎭⎬⎫

⎩⎨⎧=

∞ ra

ere

s

s exp)(

Efeitodosoluto(Raoult)

31)()('

rb

rere

s

−=

Equaçãode

Köhler

Saturação



⎭⎬⎫

⎩⎨⎧=

∞ ra

ere

s

s exp)(


31)()('

rb

rere

s

−=

31'rb

ra

ee

s

−+=∞

Aproximaçãopararnãomuitopequeno

Equaçãode

Köhler

Saturação



⎭⎬⎫

⎩⎨⎧=

∞ ra

ere

s

s exp)(


31)()('

rb

rere

s

−=

31'rb

ra

ee

s

−+=∞

•  Efeitodosolutopredominaemrpequeno

•  Parargrande,sóimportaacurvatura•  CurvaKöhlervaria

•  Comotamanhoinicialdoaerossol

•  Comamassadoaerossol•  Comaquímicadoaerossol

Sc

rc baS

abr

drdS

ee

drd

c

c

s

r

2741

3

0

3

+=

=

==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Saturação


•  ParacadacurvaháumrceumaSc

•  Gotasqueultrapassamrcsãoconsideradasa.vadas

❶:ms=10-17g,rc=0,012µm❷:ms=10-16g,rc=0,043µm❸:ms=10-15g,rc=0,11µmSeaSSpermanecerconstante,astrêsgo\culasirãocresceratéotamanho:

❶:r=0,0081µm❷:r=0,026µm❸:r=0,088µm

epermanecerãodestetamanhoenquantoSSnãomudar.

SS=0.05%

❸❷❶

❶ ❷ ❸

❶ ❷ ❸

r=0,0079µm

r=0,0080µm

r=0,0081µm

r=0,021µm

r=0,024µm

r=0,026µm

r=0,055µm

r=0,070µm

r=0,088µm

rc=0,012µm rc=0,043µm rc=0,11µm


❶:r=0,0081µm❷:r=0,026µm❸:r=0,088µm

epermanecerãodestetamanhoenquantoSSnãomudar.SeaSSdiminuirparaSS=-0.15%,asgotasevaporarãoatéotamanho:

❶:r=0,0080µm❷:r=0,024µm❸:r=0,055µm

SS=0.05%

❸❷❶

❶ ❷ ❸

r=0,0079µm

r=0,0080µm

r=0,021µm

r=0,024µm

r=0,055µm

r=0,070µm

rc=0,012µm rc=0,043µm rc=0,11µm

SS=-0.15%


❶:r=0,0085µm❷:r=0,030µm❸:r>rc!!!

e❶e❷permanecerãodestetamanhoenquantoSSnãomudar,enquantoque❸con?nuarácrescendo.

SS=0.5%

❸❷❶

❶ ❷ ❸

❶ ❷ ❸

r=0,0079µm

r=0,0080µm

r=0,0081µm

r=0,021µm

r=0,024µm

r=0,026µm

r=0,055µm

r=0,070µm

r=0,088µm

rc=0,012µm rc=0,043µm rc=0,11µm

❶ ❷ ❸r=0,0085µm r=0,03µmr=>rc!!!

•  Agotairácrescerindefinidamente?•  SeSSsemanteracimade0sim!

•  Issoquerdizerqueasgotasdechuvaseformamporcondensação?•  Gotasdechuva:O(mm)

•  Vamosver!

•  Sóparaterumanoçãodasdimensõesdeaerossóis,gotasdenuvemedechuva

•  Nucleaçãoecrescimentodegotasenvolvemaomenos4ordensdegrandeza!•  0.1a1000μm

r∞ r

•  Vamosfocaremapenasumagota•  Crescimentopordifusãodevapor:

𝑑𝑚/𝑑𝑡 =4𝜋𝐷↓𝑣 𝑟(𝜌↓𝑣 − 𝜌↓𝑣𝑟 )•  Dv:coeficientededifusãodovapor•  Ρ:densidadedovapornoambiente(v)enasuperVcieda

gota(vr)•  Crescimentodependedogradientededensidadede

vapor•  Quantomaisvapornoambiente,maiorseráo

crescimento

•  Emfunçãodoraio,arelaçãoé(derivaçãocombinadifusãodevapor,conduçãodecalor,Clausius-ClapeyroneKöhler)

𝑟𝑑𝑟/𝑑𝑡 = 1/𝐹↓𝐾 + 𝐹↓𝐷  (𝑆−1−𝑎/𝑟 + 𝑏/𝑟↑3  )(7)•  FKeFDsãotermosassociadosàconduçãodecalore

difusãodevapor,respec?vamente

𝜌↓𝑣 

𝜌↓𝑣𝑟 

r∞ r

•  PelaEq.7:taxadecrescimentodecaicomr

•  Seago\culaésuficientementegrande(e.g.r>1μm)•  𝑆𝑆≫− 𝑎/𝑟 + 𝑏/𝑟↑3  

•  ConsiderandoSconstanteeintegrando,temos

∫𝑟↓0 ↑𝑟(𝑡)▒𝑟𝑑𝑟 = 1/𝐹↓𝐾 + 𝐹↓𝐷  (𝑆−1)∫0↑𝑡▒𝑑𝑡 

𝑟(𝑡)=√𝑟↓0↑2 +2𝜉𝑡 (8)•  Onde

𝜉= 1/𝐹↓𝐾 + 𝐹↓𝐷  (𝑆−1)•  Eq.8:equaçãoparabólicadecrescimento

𝜌↓𝑣 

𝜌↓𝑣𝑟 

𝑟(𝑡)=√𝑟↓0↑2 +2𝜉𝑡 (8)

•  Seeuconsiderarumagotadechuvacomr=0.5mm•  Quantotempolevaparacondensardesde1μm?

•  ParaT=10°Cep=800hPa, 1/𝐹↓𝐾 + 𝐹↓𝐷  =100 𝜇𝑚↑2 𝑠↑−1 

•  ConsiderandoS=1,02(SS=2%)

•  t=~17horas!

•  Conclusão:emboraacondensaçãotenhapapelfundamentalnaformaçãodanuvem,elanãoéaresponsávelpelachuva

r

t

•  Outrospontosaseconsiderar•  Emumanuvem,Snãoéconstante

𝑑𝑆/𝑑𝑡 =𝑃−𝐶•  P:produção->dependedew•  C:consumo->dependedacondensação•  Ovaporconsumidoporumagotanãoestará

disponívelparaasoutras->compe?çãoporvapor!

r

t

Crescimentoporcolisão-coalescência

•  Emumanuvemcoexistemgotasdediversostamanhos•  Conceitodedistribuiçãode

tamanho(DSD,eminglês)•  QuantomaislargaaDSD,maioro

contrasteentreotamanhodasgotasestreito

largo

Diâmetro

Núm

erode

go\

culas


•  Contrastedetamanho->contrastenavelocidadeterminal•  Balançoentreaceleraçãodagravidadee

resistênciadoar•  Quantomaioragota,maisrápidoelacai

•  Portanto,haveráinteraçãoentreasgotasdediferentestamanhos•  Geralmenteasgotasmaiorescaemmaisrápidoe

interagemcomasgotasmenoresnocaminho


•  Possíveiscenáriosdeinteraçãoentregotasgrandesepequenas:

1.  Gotasnãocolidem•  Agotamenordesvia,seguindoacorrentedearao

redordagotagrande2.  Elascolidemesejuntam->coalescência3.  Sejuntamtemporariamente,masdepoisseseparam

(retendocaracterís?casiniciais)4.  Sejuntamtemporariamenteedepoissedividemem

váriasgotasmenores

•  Ocaso2éoprocessoresponsávelpelachuvaemnuvensquentes•  Colisão-coalescência


•  Eficiênciadecolisão:

𝐸(𝑟↓1 , 𝑟↓2 )= 𝑦↑2 /(𝑟↓1 + 𝑟↓2 )↑2  •  y:distânciacrí?ca

•  Colisõesnãoocorremparadistânciasmaiores


•  Essaeficiênciageralmenteaumentacomr1/r2•  Ouseja,quantomaisparecidasasgotas,maiores

serãoaschancesdecolidirem•  Ser2<<r1

•  Agotamenortempoucamassaesegueacorrentedearaoredordagotagrande

•  Se0.6<r2/r1<0.9•  Háumareduçãonaeficiênciadevidoavelocidade

terminaissemelhantes•  Ser2~r1

•  Mesmocomvelocidadesterminaisparecidas,Eaumentadenovopoisasgotasvãocolidirprontamentecasoseaproximem

•  NotequeEtendeaaumentarcomr1


•  Casoasgotascolidam,aindahaveráumaprobabilidadeE’deelascoalescerem

•  Novamente,maiorprobabilidadeparar2~r1•  Altasprobabilidadesquandoumraioébem

maiorqueooutrotambém•  Entreosdoisextremos,E’reduzpoispodehavera

adiçãodearnahoradacoalescência•  Gotasintermediáriasgeramdeformaçãona

gotacoletora

•  Juntandoasduasprobabilidades,temosaprobabilidadedecoletaEc=EE’


•  Considerandoumanuvemuniformecomgotasderaior2•  Maisumagotacoletoraderaior1

•  Ataxadecrescimentoporcolisão-coalescênciafica

𝑑𝑀/𝑑𝑡 =𝜋𝑟↓1↑2 (𝑣↓1 − 𝑣↓2 )𝑤↓𝐿 𝐸↓𝑐 •  wLéoconteúdodeágualíquidadasgotasr2(em

kgm-3)

•  Quantomaioradiferença(v1–v2)ewL,maiorseráocrescimento•  Ectambéméaltonessecaso


•  Seassumirmosquev1>>v2,Ec~E•  EficiênciadecoalescênciaE’=1

•  Passandoparacrescimentodoraio(𝑀= 4/3 𝜋𝑟↓1 𝜌↓𝐿 )

𝑑𝑟↓1 /𝑑𝑡 = 𝑣↓1 𝑤↓𝐿 𝐸/4𝜌↓𝐿  •  Tantov1quantoEaumentamcomr1

•  Colisão-coalescênciasóéeficienteparagotasjárela?vamentegrandes


•  Seassumirmosquev1>>v2,Ec~E•  EficiênciadecoalescênciaE’=1

•  Passandoparacrescimentodoraio(𝑀= 4/3 𝜋𝑟↓1 𝜌↓𝐿 )

𝑑𝑟↓1 /𝑑𝑡 = 𝑣↓1 𝑤↓𝐿 𝐸/4𝜌↓𝐿  •  Tantov1quantoEaumentamcomr1

•  Colisão-coalescênciasóéeficienteparagotasjárela?vamentegrandes

•  A?vaparar~20μm

•  Condensação(inicialmente)+colisão-coalescência(posteriormente)=chuva!

ObservaçõesdemicroVsicanaAmazônia–interaçãoaerossóis-nuvens

•  Comosemedeotamanhodasgotasdentrodanuvem?

•  Ométodomaisdiretoéequiparaviõescomsondasabaixodasasas

•  Esse?podesondaemiteumlaserentreasduaspontas

•  Quandoumagotapassaentreaspontas,elageraumasombraemumdosdetectores

•  Portanto,mede-seotamanhodagotaemproporçãoaotamanhodasombra

•  Geralmentesãousadasmaisdeumasonda•  Atér=25μm(gotasdenuvem)•  25μmacentenasdeμm(gotas

degaroa)•  Centenasdeμmaalgunsmm

(gotasdechuva)

•  Gotasgrandessãomenosnumerosas•  Necessitamdemaiorvolumede

amostragemnoinstrumento

•  ExperimentoGoAmazon2014/5–Fev/MareSet/Outde2014

G-1Americana,voaaté7km,autonomia~4horas

HALOAlemã,voaaté15km,autonomia~9horas

•  PoluiçãodeManaussedispersaparaSO,conformeoventodominante

•  Zig-zagdoaviãoentrandoesaindodapluma•  Nuvenslimpasepoluídas•  Oquemuda?

Cecchinietal.(2016)

•  NúmerodeCCN2-4vezesmaiornapluma•  DependendodaSS

Cecchinietal.(2016)

•  NúmerodeCCN2-4vezesmaiornapluma•  DependendodaSS

•  Gráficoàesquerdasereferemaoprimeirokmdesdeabasedanuvem

•  Nuvempoluída•  ~Dobrodenúmerodegotas•  Gotasmenores(paramesmoLWC)•  Compe?çãopelovapor•  Espera-semenorSSemnuvenspoluídas->

maiorconsumodovapor

•  Gráficoa)•  Comoasgotaspoluídassãomenores,elas

crescemmaisrapidamenteporcondensação

•  IssoaumentaLWC

Cecchinietal.(2016)

•  DSDsdentroeforadapluma•  Maioresalturasacimadabase->proxyparaa

evoluçãotemporal

•  Nuvempoluída•  MenordiferençaentreasDSDs(b)•  Principalmentediâmetrospequenos

•  Notequenasnuvenslimpas(c)asgotasgrandes

crescemconsumindoaspequenas•  Consistentecomocrescimentoporcolisão-

coalescência

•  Gotasmenoresemnuvenspoluídas•  Atrasodoiníciodacoalisão-coalescência•  Atrasaaformaçãodachuvaporprocessos

quentes

Cecchinietal.(2016)

•  OmesmopadrãoéobservadoemoutrasregiõesdaAmazônia•  Independentedo?podepoluição,o

efeitoqualita?voéomesmo

•  Seapoluiçãoatrasaachuvaemnuvensquentes,asgotaspermanecempormaistempodentrodasnuvens•  Sãocarregadasaténíveismaisaltos•  Iníciodaformaçãodachuvamaisacima•  Podeacontecerdenãoformarchuva

quente->maismassaparaosprocessosmistosefrios

CostaCCN~120cm-3

NorteAmazôniaCCN~400cm-3

SulAmazôniaCCN~1200cm-3

ArcoDesmatamentoCCN~2000cm-3Cecchinietal.(2017)

•  Iniciaçãodaprecipitação•  LWC>0.01gm-3para75μm<D<250

μm•  Definiçãopodevariardependendoda

aplicação

•  Temperaturainiciação•  10°C->marí?mas•  -5°Ca2°C->NAmazônia•  Nãofoidetectadachuvanafasequente

dasnuvenspoluídas

•  Detectamoscoexistênciaentregotassuper-resfriadasegelonasnuvenspoluídas•  Nuvenslimpaspra?camentesógelo

acimadaisotermade0°C(nãomostradoaqui)

Bragaetal.(2017)

•  Resumodaintensificaçãodaconvecçãopelosaerossóis

•  Nãoéumavisãocompletadoproblema•  Muitosdesenvolvimentos

depoisde2008

•  Gotasmenorescrescemmaisrápidoporcondensação

•  Mastambémevaporammaisrápido!

•  Condensaçãoocorreprimariamentenocentrodanuvem

•  Evaporaçãonasbordas

•  Anuvemficarámaisintensadependendodequalfordominante

Rosenfeldetal.(2008)

•  Oquedeterminaseosaerossóisirãointensificarouenfraquecerasnuvens?

•  Tamanhodanuvem•  Nuvenspequenas->

dominamosefeitosnaborda•  Nuvensgrandes->dominam

osefeitosnocentro

•  Umidadedoambiente•  Ambienteseco->favorece

evaporação•  Ambienteúmido->favorece

condensação

•  Relaçãoentreaerossóisenuvenséaltamentenão-linear•  Aindanãocompreendemos

muitobem•  Mo?vodasincertezas

mencionadasnoIPCC

Rosenfeldetal.(2008)

•  Hojevimoscomoasgotasseformamecrescem•  Sópodehavernucleação

heterogêneanaatmosfera

•  Crescimentoporcondensação•  Inversamenteproporcionalar•  Nãogerachuva

•  Crescimentoporcolisão-coalescência•  Proporcionalar•  Massócomeçaapar?rder~20

μm

CONCLUINDO

•  EstudosnaAmazôniamostramosefeitosdosaerossóisnasDSDs

•  Efeitodosaerossóisnafasequentegeramconsequênciasparatodoociclodevidadanuvem

•  Podemintensificarouenfraqueceraconvecção,dependendodacorrelaçãodediversosfatores•  Caracterís?casVsicasdas

nuvens•  Termodinâmicadoambiente

CONCLUINDO

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