Mecanismo de formação das nuvens

A natureza de qualquer tipo de nuvem que exista é a mesma do vapor d’água que vimos na banheira quando tomamos banho quente. São gotículas de água líquida, muito pequenas para caírem, pois o peso de cada uma delas é equilibrado por um fenômeno físico chamado tensão superficial, no caso, do ar. É o mesmo efeito que mantém o pó a flutuar no ar. Para essas gotículas se formarem, entra em cena o chamado Ponto de Orvalho.

A água pode estar presente na atmosfera sob forma de vapor (nuvens, compostas de gotículas) ou literalmente misturada no ar, compondo a umidade atmosférica. A primeira forma não deixa de ser água líquida, e pode bloquear a visão através dela. A segunda é invisível. Há água entre você e a tela do seu computador. O ar retém a unidade pela evaporação dos oceanos, mares, rios, lagos. Deve-se lembrar que evaporação é diferente de vaporização. Esta última ocorre a 100oC. Na evaporação, a superfície da água cede moléculas para o ar a qualquer temperatura. É por isso que a água seca.

Acontece que o ar retém a umidade até certo limite. Há de se chegar a um momento em que “a caixa fica cheia”. Caso o ar esteja com a sua capacidade máxima em umidade, diz-se que ele está saturado. Caso ele esteja com metade de sua capacidade, diz-se que a umidade relativa do ar é de 50%. A percentagem da umidade relativa é a porcentagem de umidade no ar em relação à capacidade máxima. Em linguagem mais matemática, umidade relativa do ar é a razão entre a quantidade de umidade presente no ar e a quantidade máxima suportada pelo mesmo. A umidade relativa do ar saturado é 100%. O que acontecerá, então, ao ser fornecido mais umidade para o ar saturado? Ele simplesmente não a reterá. A água deixa de evaporar sob um ar saturado. É por esse motivo que a roupa seca mais rápido no estendal da roupa em dias secos do que em dias úmidos, mesmo sendo as temperaturas semelhantes.

Outro ponto importante é que essa capacidade do ar em reter umidade varia com a temperatura. E varia bastante. Quanto mais quente, maior a capacidade do ar em retê-la. A cada temperatura associa-se uma capacidade de retenção de umidade, e é por esse motivo que a palavra “relativa” está presente em “umidade relativa do ar”. Uma umidade relativa de 50% em determinada temperatura não será 50% em outra, mesmo mantendo igual a quantidade absoluta de umidade no ar (umidade absoluta do ar).

A tabela abaixo mostra valores para a capacidade do ar em reter umidade para algumas temperaturas.

Temperatura (oC) Gramas de vapor d’água por quilograma de ar seco (g/kg ar seco)
5 6,1
10 8,4
15 11,7
20 16,0
25 22,0
30 29,9

Capacidade máxima do ar em reter umidade

Imagine então a seguinte situação: o ar a 25ºC está com umidade relativa de, por exemplo, 73%. A tabela acima diz que a 25ºC o ar retém um máximo de 22g de umidade para cada quilograma de ar, portanto 73% desse valor é 16g. Essa é a umidade absoluta do ar no exemplo. O que acontecerá se a temperatura baixar? Há uma temperatura que aceita no máximo 16g de umidade para cada quilograma de ar. Essa temperatura é chamada Ponto de Orvalho. Existe, então, um Ponto de Orvalho para cada teor de umidade absoluta no ar. Pela tabela, podemos notar que o Ponto de Orvalho para um ar que esteja com 16g de umidade para cada quilograma de ar é 20º. Portanto, se a temperatura baixar além desse valor haverá um excesso de umidade. A capacidade cada vez mais reduzida do ar em reter umidade à medida que este se esfria fará com que o excesso seja “expulso”. É como se a “caixa” encolhesse. Um esquema está exemplificado na figura 1. O ar, por exemplo, a 15º, não pode reter 16g de umidade por quilograma de ar (pois retém somente 11,7g). O que acontece então com esse excesso?

O excesso de umidade expulso do ar se condensa em gotículas de água, finas o suficiente para se manter em suspensão pela tensão superficial do ar. É a nuvem. Se a temperatura na superfície baixar além do Ponto de Orvalho a neblina será formada, que nada mais é que uma nuvem formada na superfície. Como então se formam as nuvens no céu?

Figura 1: Esquema que mostra a capacidade do ar em reter umidade em relação à temperatura. O recipiente representa a capacidade do ar em reter umidade. A água dentro do recipiente representa a umidade do ar. Em A o ar está sub saturado, mas quando a temperatura começa a descer a capacidade do ar em reter umidade também desce, de modo que em B, apesar do ar ainda reter a mesma quantidade absoluta de umidade, o ar encontra-se saturado. É como se a “caixa” encolhesse. Em C, com a temperatura baixando mais, a capacidade do ar em reter umidade fica abaixo da quantidade de umidade realmente presente no ar, de modo que ele tem que expulsar o excesso. A temperatura de A é maior que a de B, que por sua vez é maior que a de C.

Enquanto que a neblina é formada pelo arrefecimento do ar próximo à superfície, cuja temperatura ultrapassa o Ponto de Orvalho, a nuvem no céu pode ser formada, por exemplo, pela elevação de massas de ar que atingem regiões mais frias da atmosfera. O Sol aquece a Terra de maneira desuniforme, de modo que algumas regiões da superfície aquecem mais do que outras. A superfície aquece o ar imediatamente acima dela. Aquelas regiões que aqueceram mais farão com que o ar acima delas se aqueça mais, e dessa forma haverá diferenças de temperatura nas camadas inferiores da atmosfera. A temperatura do ar (ou de qualquer gás) está diretamente relacionada com a densidade. O ar que se aquece expande-se, ficando menos denso. O ar menos denso tem a tendência de subir, pois tudo que é mais leve tende a ficar por cima. As correntes de ar em ascensão são chamadas de correntes convectivas. Mas esse ar em ascensão, subindo cada vez mais, encontra um ar circundante cada vez mais frio e ele também arrefece e pode atingir o Ponto de Orvalho. Ao atingir a temperatura do Ponto de Orvalho, ele vai expulsando o seu excesso de umidade enquanto sobe, deixando para trás um rastro de gotículas de água, que é a nuvem. Esse é o mecanismo de formação principalmente das nuvens cúmulos, que se caracterizam por terem a forma de torres e serem verticalmente grandes, características dos dias quentes (observe a figura).

Figura 2: O Sol aquece a terra de maneira desuniforme. Algumas regiões aquecem mais que outras, representadas pelas áreas avermelhadas na figura. O ar em contacto com a superfície nessas áreas sobe, arrefece e atinge o Ponto de Orvalho. Assim formam-se as nuvens.

Em dias muito quentes e úmidos, em que o Sol aquece intensamente a superfície criando grandes variações de temperatura e o ar sobe rapidamente carregado de umidade, grandes nuvens são formadas. Elas têm um desenvolvimento vertical muito grande e são associadas às tempestades. São as cumulonimbos.

Mas e as nuvens que aparecem freqüentemente sobre montanhas junto ao mar? Elas, na verdade, têm outro mecanismo de formação. Não são formadas por ar ascendente depois de aquecido na superfície, mas sim, por ar forçado para cima por montanhas. Neste caso o que entra em cena é a Serra e o Oceano Atlântico. O mar carrega o ar sobre ele de umidade fazendo assim o Ponto de Orvalho subir. Os ventos empurram esse ar em direção à serra. Ao atravessar a serra ele é forçado para cima ao subir as encostas e finalmente arrefece o suficiente, ao atingir altitudes maiores, para que a sua temperatura caia abaixo do Ponto de Orvalho. O excesso de umidade é então expulso formando as tais nuvens. São nuvens baixas, pois o ar sobe somente até o topo das montanhas.

Suponha que a temperatura na montanha seja de 15º C e no litoral, 20º C. O ar no litoral carrega, por exemplo, 13,4g de umidade por quilograma de ar. A 20o o ar aceita 16g de umidade por quilograma de ar, portanto a umidade relativa é 84% (13,4g comparado com 16g). Pela tabela acima, o Ponto de Orvalho para a quantidade de 13,4g é 17º C (deve-se fazer uma interpolação – a temperatura situa-se entre 15 e 20º). Esse ar a 20º C subirá a Serra e durante essa subida arrefece. Em um determinado momento atingirá 17º C e nesse momento começará a expulsar umidade formando a nuvem enquanto continua a subir e a arrefecer até 15º C ou pouco menos. A figura 2 mostra um esquema.

Figura 3: Esquema mostrando o mecanismo de formação das nuvens que freqüentemente estão presentes de noite em algumas montanhas junto ao mar. O mar carrega o ar de umidade, que com o vento é forçado a ir em direção à Serra. Sendo empurrado para cima, esse ar atinge o Ponto de Orvalho e as nuvens são formadas.

 

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