E3 Física do Vapor de Água, Nuvens e Microfísica

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A microfísica das nuvens descreve como os hidrometeoros — as gotículas de água líquida, cristais de gelo, flocos de neve e granizo que se formam dentro de uma nuvem — se formam, crescem e eventualmente precipitam. Todo esse processo começa com a quantidade de vapor de água que o ar pode reter antes da saturação, uma quantidade que segue a equação de Clausius-Clapeyron: a capacidade do ar de reter vapor de água aumenta exponencialmente com a temperatura, de modo que, para cada grau de aumento na temperatura, o ar pode reter cerca de sete por cento mais vapor de água do que antes.

Quando a umidade relativa do ar está um pouco acima de 100% — isto é, quando o ar está ligeiramente supersaturado — o vapor de água começa a se condensar em núcleos de condensação, minúsculas partículas suspensas no ar que fornecem às moléculas de vapor uma superfície na qual se agrupam. Esse processo é chamado de nucleação heterogênea, o primeiro passo na transformação do vapor de água invisível na primeira gotícula líquida da nuvem.

Uma vez formada, a primeira gota cresce por difusão de vapor, de acordo com a equação de Maxwell: gotas maiores crescem mais rápido do que as menores porque possuem uma área de superfície maior na qual o vapor de água pode continuar a se condensar. Essa vantagem das gotas maiores torna-se decisiva quando o processo de colisão-coalescência entra em ação, o mecanismo dominante na formação de chuva em nuvens quentes: gotas maiores, caindo mais rápido do que as menores, alcançam-nas, colidem e se fundem em uma única gota ainda maior; e quanto maior a gota, mais rápido ela cai e mais gotas menores ela captura ao longo do caminho, de modo que a gota que colide hoje será maior amanhã, e essa gota maior colide novamente com uma força ainda maior, até que o aumento do tamanho da gota se torne a força motriz por trás de seu próprio crescimento e ela finalmente forme uma gota de chuva.

Em nuvens mistas, aquelas que são apenas parcialmente congeladas, gotículas líquidas super-resfriadas coexistem com cristais de gelo, e é aqui que um terceiro mecanismo de crescimento entra em ação: o processo de Bergeron-Findeisen. A pressão de saturação no gelo é menor que a pressão de saturação na água líquida, portanto o ar em equilíbrio com as gotículas de líquido super-resfriadas torna-se supersaturado em relação ao gelo. O vapor de água então se condensa preferencialmente sobre os cristais de gelo, que crescem, enquanto as gotículas de líquido super-resfriadas ao redor desses cristais evaporam para repor o vapor consumido pelos cristais de gelo. Assim, em uma nuvem mista, os cristais de gelo crescem à custa das gotículas de líquido super-resfriadas circundantes.

Para representar todos esses processos em um modelo numérico sem rastrear cada gotícula ou cristal individualmente, a microfísica das nuvens é parametrizada descrevendo, em vez disso, como os tamanhos de todas as gotículas ou cristais em uma nuvem estão distribuídos simultaneamente, usando distribuições de tamanho com uma forma característica, e resumindo o comportamento coletivo de toda essa distribuição em algumas grandezas: a massa total, o número total de partículas e a refletividade total produzida pelo conjunto.

O resultado esperado de toda essa cadeia de eventos — desde a nucleação da primeira gotícula em um núcleo de condensação até o processo de colisão-coalescência ou Bergeron-Findeisen que a faz crescer — é que a nuvem comece a precipitar entre vinte e quarenta minutos após sua formação, com uma taxa de precipitação proporcional à refletividade medida pelo radar meteorológico: quanto maior a refletividade produzida pelos hidrometeoros da nuvem, maior a taxa de precipitação liberada. Assim, a microfísica das nuvens conecta, em uma única cadeia, a umidade invisível no ar com a chuva, neve ou granizo que eventualmente atinge o solo.

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