Cloud physics

Cooling air to its dew pointEdit

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Cloud evolution in under a minute.

chuva no final do verão na Dinamarca. A cor quase preta da base indica a nuvem principal em primeiro plano provavelmente cumulonimbus.

arrefecimento adiabático: volumes crescentes de airEdit húmido

à medida que a água evapora de uma área da superfície da terra, o ar sobre essa área torna-se húmido. O ar úmido é mais leve do que o ar seco circundante, criando uma situação instável. Quando o ar úmido é suficiente, todo o ar úmido sobe como um único pacote, sem se misturar com o ar circundante. À medida que mais ar úmido se forma ao longo da superfície, o processo se repete, resultando em uma série de pacotes discretos de ar úmido subindo para formar nuvens.Este processo ocorre quando um ou mais dos três possíveis agentes de elevação-ciclônico / frontal, Convectivo ou orográfico—faz com que o ar que contém vapor de água Invisível suba e arrefeça até ao seu ponto de orvalho, a temperatura a que o ar fica saturado. O principal mecanismo por trás deste processo é o resfriamento adiabático. A pressão atmosférica diminui com a altitude, de modo que o ar Em ascensão se expande em um processo que aumenta a energia e faz com que o ar arrefeça, o que faz com que o vapor de água se condense em nuvem. O vapor de água no ar saturado é normalmente atraído por núcleos de condensação, tais como poeira e partículas de sal, que são pequenas o suficiente para serem mantidas no alto pela circulação normal do ar. As gotículas de água em uma nuvem têm um raio normal de cerca de 0,002 mm (0,00008 in). As gotículas podem colidir para formar gotículas maiores, que permanecem no alto, desde que a velocidade do ar ascendente dentro da nuvem seja igual ou superior à velocidade terminal das gotículas.

para a nuvem não-convectiva, a altitude a que a condensação começa a acontecer é chamada de nível de condensação levantado (LCL), que determina aproximadamente a altura da base da nuvem. Nuvens convectivas livres geralmente se formam na altitude do nível de condensação convectiva (CCL). O vapor de água no ar saturado é normalmente atraído por núcleos de condensação, tais como partículas de sal que são pequenas o suficiente para serem mantidas no alto pela circulação normal do ar. Se o processo de condensação ocorre abaixo do nível de congelamento na troposfera, os núcleos ajudam a transformar o vapor em gotículas de água muito pequenas. Nuvens que se formam logo acima do nível de congelamento são compostas principalmente de gotículas líquidas super-resfriadas, enquanto aquelas que se condensam em altitudes mais altas onde o ar é muito mais frio geralmente tomam a forma de cristais de gelo. Uma ausência de partículas de condensação suficientes a e acima do nível de condensação faz com que o ar ascendente se torne supersaturado e a formação de nuvens tende a ser inibida.

Frontal e ciclônico liftEdit

Frontal e ciclônico elevador ocorrer em suas mais puras manifestações ao ar estável, que tenha sido submetido ao pouco ou nenhum aquecimento da superfície, é forçada ar em frentes meteorológicas e em torno de centros de baixa pressão. Frentes quentes associadas com ciclones extratropicais tendem a gerar principalmente nuvens cirriformes e estratificadas sobre uma ampla área, a menos que a aproximação de aerossóis quentes seja instável, caso em que as nuvens cumulus congestus ou cumulonimbus geralmente serão incorporadas na principal camada de nuvens precipitantes. As frentes frias geralmente se movem mais rapidamente e geram uma linha mais estreita de nuvens que são principalmente estratocumuliformes, cumuliformes ou cumulonimbiformes, dependendo da estabilidade da massa de ar quente logo à frente da frente.

liftEdit Convectivo

outro agente é o movimento de alta convecção flutuante causado por aquecimento solar diurno significativo ao nível da superfície, ou por umidade absoluta relativamente alta. A radiação de onda curta gerada pelo sol é re-emitida como radiação de onda longa quando atinge a superfície da Terra. Este processo aquece o ar mais próximo do solo e aumenta a instabilidade da massa do ar, criando um gradiente de temperatura mais íngreme a partir de quente ou quente ao nível da superfície para o alto frio. Isso faz com que ele suba e arrefeça até que o equilíbrio de temperatura seja alcançado com o ar circundante no alto. Instabilidade moderada permite a formação de nuvens cumuliformes de tamanho moderado que podem produzir Chuveiros leves se a passagem de ar for suficientemente húmida. As correntes de convecção típicas podem permitir que as gotículas cresçam até um raio de cerca de 0,015 milímetros (0,0006 in) antes de precipitarem como chuveiros. O diâmetro equivalente destas gotículas é de cerca de 0,03 milímetros (0,001 in).

se o ar perto da superfície se tornar extremamente quente e instável, seu movimento ascendente pode se tornar bastante explosivo, resultando em nuvens cumulonimbiformes que podem causar clima severo. Como pequenas partículas de água que compõem o grupo de nuvens juntas para formar gotículas de chuva, elas são puxadas para a terra pela força da gravidade. As gotículas normalmente evaporariam abaixo do nível de condensação, mas fortes correntes de ar ascendente amortecem as gotículas que caem, e podem mantê-las no ar por muito mais tempo do que de outra forma. As correntes de ar ascendentes violentas podem atingir velocidades de até 180 milhas por hora (290 km/h). Quanto mais tempo as gotas de chuva permanecerem no alto, mais tempo elas têm de crescer em gotículas maiores que eventualmente caem como Aguaceiros pesados.

gotas de chuva que são carregadas muito acima do nível de congelação tornam-se super-resfriadas no início, em seguida, congelar em granizo pequeno. Um núcleo de gelo congelado pode apanhar 1,3 cm de tamanho viajando através de uma destas correntes de ar e pode circular através de várias correntes de ar e correntes de ar para baixo antes de finalmente se tornar tão pesado que cai para o chão como granizo grande. Cortar uma pedra ao meio mostra camadas de gelo em forma de cebola, indicando tempos distintos quando passou por uma camada de água super-resfriada. Foram encontradas pedras de granizo com diâmetros de até 18 cm.

a elevação convectiva pode ocorrer em uma massa de ar instável bem longe de todas as frentes. No entanto, o ar instável muito quente também pode estar presente em torno de frentes e centros de baixa pressão, muitas vezes produzindo nuvens cumuliformes e cumulonimbiformes em concentrações mais pesadas e mais ativas por causa dos agentes de elevação combinados frontal e convectiva. Tal como acontece com o elevador Convectivo não frontal, o aumento da instabilidade promove o crescimento vertical da nuvem ascendente e aumenta o potencial para condições meteorológicas severas. Em ocasiões relativamente raras, o elevador Convectivo pode ser poderoso o suficiente para penetrar na tropopausa e empurrar a nuvem para cima na estratosfera.

Orográfica liftEdit

Uma terceira fonte de elevador, é de circulação do vento forçar o ar através de uma barreira física, como uma montanha (orográfica elevador). Se o ar é geralmente estável, nada mais do que nuvens lenticulares se formarão. No entanto, se o ar se tornar suficientemente húmido e instável, podem aparecer Aguaceiros orográficos ou trovoadas.

Ventoso noite crepúsculo reforçada por do Sol, ângulo, visualmente pode imitar um tornado resultante da elevação orográfica

Não-adiabática coolingEdit

Juntamente com adiabático de arrefecimento que requer um levantamento do agente, há outros três mecanismos principais para reduzir a temperatura do ar ao seu ponto de orvalho, todos os quais ocorrem próximas à superfície de nível e não necessitam de qualquer elevação do ar. O arrefecimento condutor, radial e por evaporação pode causar condensação a nível da superfície, resultando na formação de nevoeiro. O resfriamento condutor ocorre quando o ar de uma área de origem relativamente leve entra em contato com uma superfície mais fria, como quando o ar marinho suave se move através de uma área de terra mais fria. O resfriamento radiacional ocorre devido à emissão de radiação infravermelha, seja pelo ar ou pela superfície embaixo. Este tipo de resfriamento é comum durante a noite, quando o céu está limpo. O resfriamento por evaporação ocorre quando a umidade é adicionada ao ar por evaporação, o que força a temperatura do ar a arrefecer até a temperatura do bolbo úmido, ou às vezes até o ponto de saturação.

adicionando umidade ao airEdit

existem cinco maneiras principais de o vapor de água pode ser adicionado ao ar. O aumento do conteúdo de vapor pode resultar da convergência do vento sobre a água ou solo úmido em áreas de movimento ascendente. A precipitação ou virga que cai de cima também aumenta o teor de umidade. O aquecimento diurno faz com que a água evapore da superfície dos oceanos, das massas de água ou da terra húmida. Transpiração das plantas é outra fonte típica de vapor de água. Por último, o ar fresco ou seco que se move sobre a água mais quente se tornará mais úmido. Tal como acontece com o aquecimento diurno, a adição de umidade ao ar aumenta o seu teor de calor e instabilidade e ajuda a pôr em movimento os processos que levam à formação de nuvens ou nevoeiro.

SupersaturationEdit

A quantidade de água que pode existir como vapor, em um determinado volume aumenta com a temperatura. Quando a quantidade de vapor de água está em equilíbrio acima de uma superfície plana de água, o nível de pressão de vapor é chamado de saturação e a umidade relativa é de 100%. Neste equilíbrio, há um número igual de moléculas que evaporam da água à medida que se condensam de volta para a água. Se a umidade relativa se torna maior que 100%, ela é chamada supersaturada. A supersaturação ocorre na ausência de núcleos de condensação.

desde que a pressão de vapor de saturação é proporcional à temperatura, o ar frio tem um ponto de saturação mais baixo do que o ar quente. A diferença entre estes valores é a base para a formação de nuvens. Quando o ar saturado arrefece, já não pode conter a mesma quantidade de vapor de água. Se as condições estiverem corretas, o excesso de água se condensará do ar até que o ponto de saturação mais baixo seja atingido. Outra possibilidade é que a água permaneça em forma de vapor, mesmo que esteja além do ponto de saturação, resultando em supersaturação.

supersaturação de mais de 1-2% em relação à água é raramente visto na atmosfera, uma vez que núcleos de condensação de nuvens estão geralmente presentes. Graus muito mais elevados de supersaturação são possíveis no ar limpo, e são a base da câmara de nuvens.

não existem instrumentos para medir a supersaturação nas nuvens.

SupercoolingEdit

gotículas de água geralmente permanecem como água líquida e não congelam, mesmo muito abaixo de 0 °C (32 ° F). Núcleos de gelo que podem estar presentes em uma gota atmosférica tornam-se ativos para a formação de gelo a temperaturas específicas entre 0 °C (32 °F) e -38 °C (-36 °F), dependendo da geometria do núcleo e composição. Sem núcleos de gelo, gotículas de água super arrefecida (bem como qualquer água líquida extremamente pura) podem existir até cerca de -38 °C (-36 °F), altura em que ocorre congelação espontânea.

Collision-coalescenceEdit

One theory explaining how the behavior of individual droplets in a cloud leads to the formation of precipitation is the collision-coalescence process. Gotículas suspensas no ar irão interagir entre si, quer colidindo e saltando uns contra os outros, ou combinando para formar uma gotícula maior. Eventualmente, as gotículas tornam-se grandes o suficiente para caírem na terra como precipitação. O processo de colisão-coalescência não constitui uma parte significativa da formação de nuvens, uma vez que as gotículas de água têm uma tensão superficial relativamente elevada. Além disso, a ocorrência de colisões-coalescência está intimamente relacionada com processos de mistura de entrainamento.

Bergeron processEdit

the primary mechanism for the formation of ice clouds was discovered by Tor Bergeron. O processo Bergeron observa que a pressão de vapor de saturação da água, ou quanto vapor de água um determinado volume pode conter, depende do que o vapor está interagindo com. Especificamente, a pressão de vapor de saturação em relação ao gelo é menor do que a pressão de vapor de saturação em relação à água. O vapor de água interagindo com uma gota de água pode ser saturado, a 100% de umidade relativa, quando interagindo com uma gota de água, mas a mesma quantidade de vapor de água seria supersaturada quando interagindo com uma partícula de gelo. O vapor d’água tentará retornar ao equilíbrio, de modo que o vapor d’água extra se condensará em gelo na superfície da partícula. Estas partículas de gelo acabam como núcleos de cristais de gelo maiores. Este processo só ocorre a temperaturas entre 0 ° C (32 ° F) e -40 °C (-40 °F). Abaixo de -40 °C( -40 ° F), A água líquida se nucleia espontaneamente e congela. A tensão superficial da água permite que a gota permaneça líquida bem abaixo do seu ponto de congelação normal. Quando isso acontece, é agora água líquida super-resfriada. O processo Bergeron baseia-se em água líquida super resfriada (SLW) interagindo com núcleos de gelo para formar partículas maiores. Se houver poucos núcleos de gelo em comparação com a quantidade de SLW, as gotículas serão incapazes de se formar. Um processo pelo qual os cientistas semeiam uma nuvem com núcleos de gelo artificiais para encorajar a precipitação é conhecido como semeadura de nuvens. Isso pode ajudar a causar precipitação em nuvens que de outra forma não pode chover. A semeadura de nuvens adiciona núcleos artificiais de gelo em excesso, o que muda o equilíbrio de modo que existem muitos núcleos comparados com a quantidade de água líquida super resfriada. Uma nuvem sobre semeada formará muitas partículas, mas cada uma será muito pequena. Isto pode ser feito como uma medida preventiva para áreas que estão em risco de tempestades de granizo.