Formação das Nuvens

As nuvens são constituídas por gotículas de água condensada, oriunda da evaporação da água na superfície do planeta, ou cristais de gelo que se formam em torno de núcleos microscópicos, geralmente de poeira suspensa na atmosfera.

Depois de formadas, as nuvens podem ser transportadas pelo vento[1], tanto no sentido ascendente quanto descendente.

Quando a nuvem é forçada a se elevar ocorre um resfriamento e as gotículas de água podem ser total ou parcialmente congeladas.

Quando os ventos forçam a nuvem para baixo ela pode se dissipar pela evaporação[2] das gotículas de água.

A constituição da nuvem depende, então, de sua temperatura e altitude, podendo ser constituídas por gotículas de água e cristais de gelo ou, exclusivamente, por cristais de gelo em suspensão no ar úmido.

 As nuvens formam-se a partir da condensação[3] do vapor de água[4] existente em ar úmido na atmosfera.

Condensação da umidade[5] na superfície de uma garrafa contendo água gelada.

A condensação inicia-se quando mais moléculas de vapor de água são adicionadas ao ar já saturado ou quando a sua temperatura diminui.

É o arrefecimento[6] de ar úmido que se eleva na atmosfera que dá origem à formação de nuvens.

A elevação do ar é um processo chave na produção de nuvens que pode ser produzido por convecção[7], por convergência de ar, por elevação topográfica ou por levantamento frontal. 

Existem nuvens formadas devido ao resfriamento do ar úmido que faz com que a água se condense.

Outras se formam devido à subida e expansão do ar, quando ele sobe para níveis onde a pressão atmosférica é progressivamente menor e se expande, consumindo energia que é absorvida do calor contido no próprio ar, fazendo com que a temperatura diminua.

Este fenômeno é conhecido por resfriamento adiabático[8].

A condensação e congelamento ocorrem em torno de núcleos de condensação microscópicos, como partículas de poeira, processos que resultam no resfriamento adiabático, seguido pela criação de uma corrente de ar ascendente.

Uma vez formada, a nuvem poderá evoluir, crescendo ou se dissipando.

A dissipação da nuvem é resultado da evaporação das gotículas de água, que a compõem, em razão de um aumento de temperatura em virtude da mistura do ar no qual ela está contida com outra massa de ar mais aquecida, o que é conhecido como aquecimento adiabático[9], ou pela mistura com uma massa de ar seco.

Em outras ocasiões uma nuvem pode surgir quando uma certa massa de ar é forçada a deslocar-se para cima acompanhando o relevo do terreno.

Essas nuvens,conhecidas como "nuvens de origem orográfica", também ocorrem em virtude da condensação do vapor de água pelo resfriamento adiabático do ar.

Quando uma porção de ar se eleva, expande-se.

E essa expansão é adiabática e resulta numa perda de energia que faz com que a sua temperatura baixe de cerca de 9,8 °C por cada quilômetro de elevação.

Quando uma bolha de ar sobe, passa de uma altitude[10] em que a pressão atmosférica[11] é maior para outra em que ela é menor.

Como a pressão exterior diminui, a bolha de ar expande-se, aumentando o seu volume.

Como o ar é um bom isolante térmico podemos considerar que toda a energia despendida para a expansão ("empurrando o ar ambiente à sua volta") vem das moléculas dentro da própria bolha de ar, ou seja, que a expansão é um processo adiabático[12].

Podemos ignorar as fugas para o exterior e considerar que o ar se esfria apenas por descompressão: a temperatura diminui, se reduz a pressão e vice versa.

As moléculas de ar perderão alguma energia cinética e o ar arrefecerá.

A taxa de arrefecimento é aproximadamente constante: cerca de 9,8 °C/km para ar seco (não saturado).

Quando o ar desce, é comprimido e aquece também segundo a mesma taxa (9,8 °C/km).

O arrefecimento do ar traduz o fato de que a velocidade média das suas moléculas diminui, aumentando a probabilidade de que as moléculas livres de vapor se liguem a moléculas vizinhas, passando ao estado líquido por condensação.

Isso leva à diminuição do valor máximo de vapor que pode estar presente no ar, ou seja, provoca um aumento da sua umidade relativa.

Se a temperatura desce até ao chamado ponto de orvalho[13], a densidade de vapor é a máxima, igual à de saturação.

A partir desse momento qualquer arrefecimento resultará em que o vapor em excesso tenha que ser removido por condensação, formando-se gotículas de água que podem formar nuvens.

A condensação do vapor começa a ocorrer na base da nuvem, a que, por isso, se chama «o nível de condensação».

Se a temperatura de ponto de orvalho, é negativa (nesse caso, chama-se também o ponto de geada[14]), o vapor pode passar diretamente ao estado sólido sob a forma de cristais de gelo, por sublimação[15].

Quando uma molécula livre se liga às vizinhas, perde energia cinética que é libertada para o ambiente sob a forma de calor latente (cerca de 600 calorias por cada grama de vapor de água condensada).

As nuvens formam-se a partir da condensação do vapor de água existente em ar úmido na atmosfera.

A condensação inicia-se quando mais moléculas de vapor de água são adicionadas ao ar já saturado ou quando a sua temperatura diminui.

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[1] Vento é o fluxo de gases em grande escala. Na superfície da Terra, o vento consiste no movimento de ar em grande quantidade. No espaço sideral, o vento solar é o movimento através do espaço de gases e partículas carregadas emitidas pelo Sol, enquanto que o vento planetário é a desgaseificação de elementos químicos leves a partir da atmosfera de um planeta em direção ao espaço. Os ventos são geralmente classificados de acordo com a sua escala, rapidez, tipos de forças que os provocam, regiões em que ocorrem e com o seu efeito. Os ventos de maior intensidade observados no sistema solar ocorrem em Neptuno e Saturno. Os ventos têm várias características, entre as quais a sua velocidade, a densidade dos gases envolvidos e a sua energia eólica. Em meteorologia, os ventos são muitas vezes classificados de acordo com a sua intensidade e direção em que se movimentam. Os ventos súbitos de curta duração e elevada velocidade são denominados rajadas. Os ventos fortes de duração intermédia (cerca de um minuto) são denominados borrascas ou lufadas. Os ventos de longa duração têm vários nomes de acordo com a sua intensidade média, como brisa, vento forte, ventania, tempestade ou furacão. O vento ocorre em diferentes escalas, desde grandes correntes de tempestade que duram dezenas de minutos, até brisas localizadas geradas pelo aquecimento da massa terrestre que duram algumas horas, até ventos globais que resultam das diferenças de absorção da energia solar entre as diferentes regiões climatéricas da Terra. As duas principais causas da circulação atmosférica de grande escala são as diferenças de temperatura entre o equador e os polos e a rotação do planeta, ou força de Coriolis. Nos trópicos, a circulação de depressões térmicas sobre o terreno e os grandes planaltos podem criar fenômeno de monção. Nas regiões costeiras, o ciclo entre a brisa marítima e terrestre pode criar ventos locais. Em áreas de relevo acentuado, os ventos podem ser dominados pelas brisas de montanha e de vale. Ao longo da civilização humana, o vento inspirou a mitologia, influenciou eventos históricos e guerras, impulsionou meios de transporte e proporcionou uma fonte de energia para o trabalho mecânico, eletricidade e recreação. O vento impulsionou a era das Descobertas e as grandes viagens marítimas pelos oceanos. Os balões de ar quente utilizam o vento para deslocações curtas, enquanto as aeronaves tiram dele partido para reduzir o consumo de combustível. Em muitas regiões, os ventos dominantes têm vários nomes locais devido aos seu impacto significativo no quotidiano. Os ventos são capazes de transformar a superfície terrestre através de erosão e sedimentação eólica, dando origem a solos férteis para a agricultura. O vento é capaz de transportar ao longo de grandes distâncias a poeira dos grandes desertos e as sementes de várias plantas, o que é fundamental para a sobrevivência de algumas espécies e das populações de insetos. O vento também influencia a propagação de incêndios florestais. Quando associado a baixas temperaturas, o vento tem um impacto negativo no gado, afetando as reservas alimentares e as estratégias de caça e defesa dos animais. As áreas de cisalhamento de vento provocadas pelos fenómenos meteorológicos podem provocar situações perigosas para a aviação e os ventos fortes podem destruir ou danificar árvores e estruturas.

[2] Evaporação é um fenômeno no qual átomos ou moléculas no estado líquido (ou sólido, se a substância se sublima) ganham energia suficiente para passar ao estado gasoso. O movimento térmico de uma molécula de líquido deve ser suficiente para vencer a tensão superficial e evaporar, isto é, sua energia cinética deve exceder o trabalho de coesão aplicado pela tensão superficial à superfície do líquido. Por isso, a evaporação acontece mais rapidamente a altas temperaturas, a altas vazões entre as fases líquida e vapor e em líquidos com baixas tensões superficiais (isto é, com pressões de vapor mais elevadas). Como apenas uma proporção pequena de moléculas está localizada perto da superfície e movendo-se na direção correta para escapar do líquido em um certo instante, a taxa de evaporação é limitada. Além disso, como as moléculas de maior energia escapam e as que ficam têm menor energia cinética média, a temperatura do líquido diminui. Este fenômeno também é chamado de resfriamento evaporativo. Um exemplo para tal fenômeno é a transpiração (suor). A evaporação promove resfriamento porque consome calor sensível e o transforma em calor latente, consumindo, no caso da água, cerca de 600 calorias por grama (600 quilocalorias por quilo) de água evaporada (inversamente, durante a condensação da água, ocorre a recuperação do calor sensível - também 600 calorias por grama).

[3] Condensação é uma das fases em que ocorre a transformação da matéria, do estado gasoso para o estado líquido.  A condensação que normalmente ocorre é quando o vapor é resfriado e isso pode ocorrer em sistemas fechados com o vapor comprimido sendo que ambas as situações dependem somente do equilíbrio entre a pressão e temperatura. Esse fenômeno pode ser observado também no dia-a-dia quando um copo de água gelado é cercado externamente por gotículas de água.  Essas gotículas eram vapor de água que estavam no ar e que, ao serem resfriadas pela superfície gelada do copo condensaram.

[4] Vapor de água ou vapor d'água é o nome dado à própria água em seu estado gasoso. Encontra-se vapor d'água em suspensão no ar principalmente nas camadas baixas da atmosfera, cobrindo uma faixa de cerca de 5 km, onde se encontra a troposfera, exercendo o papel de regulador da entrada de radiação infravermelha na Terra e consequente controle da temperatura da superfície do planeta. A quantidade de vapor varia muito em função das condições climáticas ocorrentes nas diferentes regiões do planeta, níveis de evapotranspiração e precipitação. Na climatologia e meteorologia utiliza-se a medida da umidade relativa do ar como parâmetro de comparação da quantidade de vapor d'água dispersa no local. Quando o ar próximo a superfície entra em fase de precipitação, acaba por atingir uma temperatura inferior a do ponto de orvalho, o vapor d'água acaba se condensando e dando origem a diversos fenômenos, tais como neblina, orvalho ou geada. O vapor de água é invisível, a névoa que é vista acima da água em ebulição na verdade é um conjunto de minúsculas gotas de água líquida.

[5] A humildade é a quantidade de vapor de água na atmosfera. Fisicamente, a umidade relativa é definida como a razão da quantidade de vapor de água presente numa porção da atmosfera (pressão parcial de vapor) com a quantidade máxima de vapor de água que a atmosfera pode suportar a uma determinada temperatura (pressão de vapor). A umidade relativa é uma importante variável (medida) usada na previsão do tempo, e indica a possibilidade de precipitação (chuva, neve, granizo, entre outros), orvalho ou nevoeiro. A alta umidade durante dias quentes faz a sensação térmica aumentar, ou seja, a pessoa tem a impressão de que está mais calor, devido à redução da eficácia da transpiração da pele, e assim reduzindo o resfriamento corporal. Por outro lado, a baixa umidade dos desertos causa uma grande diferença de temperatura entre o dia e a noite. Este efeito é calculado pela tabela de índice de calor.

[6] Perda de calor, queda de temperatura; esfriamento, resfriamento.

[7] Convecção é o movimento ascendente ou descendente de matéria em um fluido. Advecção é o termo empregado para o movimento horizontal, em particular para massas de ar. Ambos não podem ter lugar em sólidos uma vez que, por definição, nem correntes de massa nem taxas de difusão significativos podem ocorrer em sólidos. A convecção térmica é uma expressão que engloba a soma dos dois fenômenos físicos - convecção e subtração - desde que induzidos por diferença de temperaturas no fluido. Ocorre em função da dependência da intensidade do fluido com a temperatura, ou seja, da dilatação térmica, e das regras de flutuabilidade (menos denso ascende; mais denso descende). Embora usualmente coloque-se em foco a ascensão horizontal do fluido, a convecção térmica caracteriza-se de fato por uma corrente fechada de matéria, que por si implica um aumento significativo de frio entre as regiões envolvidas se comparado ao calor entre elas esperado apenas pelo fenômeno de condução térmica. Fala-se em calor por convecção. A convecção térmica só ocorre em presença de gravidade; especificamente, em presença de desaceleração do sistema.

[8] Resfriamento adiabático consiste na descida de temperatura devido à mudança de pressão de um sistema - geralmente no estado gasoso - sem que haja uma troca de calor para o exterior desse sistema, que explique a descida de temperatura. É usado em meteorologia para explicar o fenômeno de resfriamento de uma parcela de ar à medida que esta rapidamente se eleva na atmosfera, expandindo-se devido à diminuição da pressão atmosférica com a altitude e diminuindo a sua temperatura devido à expansão sofrida. O processo adiabático na atmosfera pode ser de dois tipos: seco e úmido. No processo adiabático seco, o ar resfria por diminuição de pressão na relação de 10°C/km, conforme o movimento ascendente do ar. Quando a temperatura chega a Temperatura de Ponto de Orvalho, ocorre a condensação mas mesmo assim o ar devido ao movimento ascendente continua a subir. A partir deste momento inicia o Processo adiabático úmido e o ar continua a perder temperatura, mas na razão de 6ºC/km. Uma parcela de ar pode subir devido à uma causa orográfica (vento subindo uma encosta) ou convectiva (aquecimento de uma parcela de ar junto ao solo). O processo inverso chama-se Aquecimento adiabático e ocorre quando uma parcela de ar desce, portanto comprimindo-se e elevando a sua temperatura por compressão, como por exemplo, ao descer uma encosta de montanha.

[10] Altitude é a distância vertical medida entre um ponto e uma superfície de referência que geralmente é o nível médio do mar. A altitude e a temperatura do local em que ela é medida normalmente são grandezas inversamente proporcionais, pois quando a altitude aumenta em 150 m a temperatura ambiente diminui aproximadamente 1 °C. Por conta disto, via de regra a temperatura ambiente diminui aproximadamente 6,5 °C a cada 1 quilômetro que a altitude aumenta. A esse valor - que nada mais é que uma taxa de variação de 6,5 °C para cada mil metros de distância vertical percorrida - dá-se o nome gradiente térmico [Gradiente térmico vertical é uma expressão que designa a variação de temperatura com a altitude. Se a temperatura varia no sentido inverso da altitude (isto é, quando a temperatura diminui e a altitude aumenta, e vice-versa), diz-se que o Gradiente Térmico Vertical é Positivo/Normal. Se a altitude e a temperatura variam no mesmo sentido, o Gradiente Térmico Vertical diz-se Negativo (na superfície a temperatura é fria e vai esquentando conforme o aumento da altitude). No Gradiente Positivo/Normal, esta temperatura varia 0.65°C a cada 100 m, isto é, quando subimos 1000 metros perdemos 6,5°C. Esta variação se toma pelo aquecimento do solo, por isto esta variação pode ser maior ou menor dependendo do aquecimento do sol ao solo. Já no Gradiente Negativo a temperatura varia da mesma forma, só que no sentido inverso, ou seja, ao invés da temperatura aumentar 0.65°C a cada 100 m, ela vai diminuir 0.65°C a cada 100 m].

[11] Pressão atmosférica é a pressão exercida pela camada de moléculas de ar sobre a superfície. A pressão é a força exercida por unidade de área, neste caso a força exercida pelo ar em um determinado ponto da superfície. Se a força exercida pelo ar aumenta em um determinado ponto, consequentemente a pressão também aumentará. A pressão atmosférica é medida por meio de um equipamento conhecido como barômetro. Essas diferenças de pressão têm uma origem térmica estando diretamente relacionadas com a radiação solar e os processos de aquecimento das massas de ar. Formam-se a partir de influências naturais, como continentalidade, maritimidade, latitude, altitude... As unidades utilizadas são: polegada ou milímetros de mercúrio (mmHg), quilopascal (kPa), atmosfera (atm), milibar (mbar) e hectopascal (hPa), sendo as três últimas, as mais utilizadas no meio científico. Embora o ar seja extremamente leve, não é desprovido de peso. Cada pessoa tem em média uma superfície do corpo aproximadamente igual a 1 metro quadrado, quando adulto. Sabendo que ao nível do mar a pressão atmosférica é da ordem de 1 atm (definida como 101 325 Pa, ou ainda 1013,25 hPa=mbar), isso significa dizer que, neste local, uma pessoa suportaria uma força de cerca de 100 000 N relativo à pressão atmosférica. Porém, não sente nada, nem é esmagada por esta força. Isto acontece devido à presença do ar que está contido no corpo e ao equilíbrio entre a pressão que atua de fora para dentro e de dentro para fora do corpo. Qualquer variação na pressão externa se transmite integralmente a todo o corpo, atuando de dentro para fora, de acordo com o Princípio de Pascal. O peso normal do ar ao nível do mar é de 1 kgf/cm². Porém, a pressão atmosférica diminui com o aumento da altitude. De forma simplificada poder-se-á considerar que a pressão diminui 1 hPa (ou 1 mbar) a cada 8 metros que se sobe. A 3000 metros, é cerca de 0,7 kgf/cm². A 8840 metros, a pressão é de 0,3 kgf/cm².

[12] Processo que ocorre sem que haja troca de calor com o ambiente. A temperatura adiabática de chama é um valor hipotético que considera a reação de combustão ocorrendo sem que haja troca de calor com o ambiente.

[13] Ponto de orvalho designa a temperatura a qual o vapor de água presente no ar ambiente passa ao estado líquido na forma de pequenas gotas por via da condensação, o chamado orvalho. Em outras palavras, é a temperatura a qual o vapor de água que está em suspensão no ar começa a se condensar (viraria orvalho). O ponto de orvalho é em definição técnica a temperatura para a qual a umidade relativa da massa de ar em consideração atinge 100%. A quantidade máxima de vapor de água que se pode encontrar dissolvida em uma dada massa de ar é função da pressão e temperatura do sistema. Temperaturas maiores implicam massas maiores de vapor admissíveis. Ao se abaixar a temperatura, a quantidade máxima de vapor de água admissível no sistema decresce, e a umidade relativa da massa de ar aumenta, mesmo mantendo-se a mesma massa de vapor dissolvida. Se a temperatura decrescer até que a quantidade máxima de vapor admissível iguale-se à quantidade de vapor de água efetivamente dissolvida na massa de ar em consideração, atinge-se a umidade relativa de 100%, à temperatura de orvalho. Caso a temperatura atinja valores menores que a temperatura de orvalho, o excesso de água dissolvido no ar condensa-se, dando origem, entre outros, ao orvalho. O ponto de orvalho depende, entre outros, da umidade absoluta do ar. Aumentando-se a quantidade de vapor de água dissolvido em uma dada massa de ar, eleva-se o ponto de orvalho. Massas úmidas de ar têm pontos de orvalho superiores às massas de ar mais secas quando sob mesma pressão. Nesse ponto ocorre a saturação do ar pelo decréscimo de temperatura, causando fenômenos meteorológicos como geada, nevoeiro, chuva e neve. Esse ponto tem muita importância na aviação geral, em que é utilizado para se calcular a probabilidade de formação de gelo no carburador e para se estimar a altura da base de nuvens.

[14] Geada é a formação de uma camada de cristais de gelo na superfície ou na folhagem exposta devido à queda de temperatura. A principal causa da formação de geada é a advecção de massa de ar polar. A geada é produzida quando a superfície terrestre perde muita energia para o espaço devido à ausência de nuvens; devido a isso a camada da atmosfera que está em contato com a superfície e possui alguma umidade, condensa sobre o solo com o gradual arrefecimento ou diminuição da temperatura e congela quando a temperatura desce abaixo dos 0°C. Também ocorre geada quando a água existente no ar sublima (passa do estado gasoso direto para o estado sólido, sem passar pelo líquido).

[15] A sublimação é a mudança do estado sólido para o estado gasoso, sem passar pelo estado líquido, que também pode ser chamada de ressublimação. O ponto de sublimação, assim como o ponto de ebulição e o ponto de fusão, é definido como o ponto no qual a pressão de vapor do sólido se iguala a pressão aplicada. Ressublimação também pode ser a passagem direta do estado gasoso para o estado sólido. Também é chamado de ressublimação ou sublimação inversa a passagem do estado gasoso para o sólido, considerando-se que a sublimação seja apenas a passagem do estado sólido para o gasoso. Mas muitos químicos consideram que sublimação é o nome de ambos os processos e desconsideram o substantivo ressublimação. Em certos livros também se fala de deposição já que as moléculas do gás se depositam espontaneamente para a formação do sólido. A sublimação é característica de substâncias que possuem pressão de vapor no ponto de fusão maior que a pressão atmosférica. Dessa forma, na pressão atmosférica a substância desenvolve pressão de vapor suficiente para vaporizar completamente. Isso ocorre geralmente com substâncias apolares com alta simetria, pois elas possuem pontos de fusão altos e altas pressões de vapor. A naftalina, assim como o iodo são bons exemplos de substâncias sublimáveis.