O que faz o vapor de água no ar transformar-se em partículas líquidas ou sólidas que podem cair na Terra? A resposta é que o ar é naturalmente resfriado. Quando o ar arrefece até ao ponto de orvalho, o ar é saturado com água. Pense em extrair água de uma esponja úmida. Para libertar a água, tem de se espremer a esponja – isto é, reduzir a sua capacidade de reter água. Na atmosfera, resfriar o ar além do ponto de orvalho é como apertar a esponja – reduz a quantidade de vapor de água que o ar pode conter, forçando algumas moléculas de vapor de água a mudar de estado para formar gotículas de água ou cristais de gelo.
Um mecanismo para resfriar o ar é o resfriamento noturno. Em uma noite clara, a superfície do solo pode ficar bastante fria, pois perde a radiação de ondas longas. Se o ar estiver úmido, a geada pode ser depositada como vapor de água formando cristais de gelo. No entanto, este arrefecimento não é suficiente para formar precipitação. A precipitação só se forma quando uma massa substancial de ar sofre uma queda constante na temperatura abaixo do ponto de orvalho. Isto acontece quando uma parcela de ar é elevada para níveis cada vez mais altos na atmosfera.
TAXA ADIABÁTICA DIABÁTICA
Se você já bombeou um pneu de bicicleta usando uma bomba manual, você deve ter notado que a bomba fica quente. Se sim, você já observou o princípio adiabático. Esta importante lei estabelece que se não for adicionada energia a um gás, a sua temperatura aumentará à medida que for comprimido. À medida que se bombeia vigorosamente, comprimindo o ar, a bomba de metal para bicicletas aquece. Por outro lado, quando um gás se expande, a sua temperatura cai pelo mesmo princípio. Os físicos usam o termo processo adiabático para se referir a um processo de aquecimento ou resfriamento que ocorre somente como resultado de uma mudança de pressão, sem que o calor flua para dentro ou para fora de um volume de ar.
Como o princípio adiabático se relaciona com a elevação do ar e com a precipitação? O elo que falta é simplesmente que a pressão atmosférica diminui à medida que a altitude aumenta. Como uma parcela de ar é elevada, a pressão atmosférica sobre a parcela torna-se mais baixa, e o ar expande-se e arrefece, como mostrado na Figura 4.9. Conforme uma parcela de ar desce, a pressão atmosférica torna-se mais alta, e o ar é comprimido e aquecido.
Descrevemos este comportamento na atmosfera usando a taxa de lapso adiabático seco, como mostrado na porção inferior da Figura 4.10. Aplica-se a uma parcela de ar ascendente que ainda não tenha sido resfriada até a saturação. A taxa de lapso adiabático seco tem um valor de cerca de 10°C por 1000 m de elevação vertical. Ou seja, se uma parcela de ar for elevada 1 km, sua temperatura cairá em 10°C. Inversamente, uma parcela de ar que desce aquecerá 10°C por 1000 m. Esta é a taxa de ar seco porque não ocorre condensação durante este processo.
Há uma diferença importante a notar entre a taxa de ar seco e adiabático e a taxa de temperatura ambiente. A taxa de tempo de expiração ambiental é simplesmente uma expressão de como a temperatura do ar parado varia com a altitude. Esta taxa varia de vez em quando e de lugar para lugar, dependendo do estado da atmosfera. É bastante diferente da taxa de tempo de expiração adiabática seca. A taxa de tempo de expiração adiabática seca aplica-se a uma massa de ar que se move verticalmente. Não varia com o tempo e o lugar, e é determinada por leis físicas, não pelo estado atmosférico local.
TAXA ADIABÁTICA MOISTA
Vamos continuar examinando o destino de uma parcela de ar que se move para cima na atmosfera (Figura 4.10). Conforme a parcela se move para cima, sua temperatura cai à taxa adiabática seca, 10°C/1000 m (5.5°F/1000 pés). Note, no entanto, que a temperatura do ponto de orvalho muda ligeiramente com a elevação. Ao invés de permanecer constante, ela cai na taxa de lapso do ponto de orvalho de 1.8°C/1000 m (1.0°F/1000 ft).
A medida que o processo de subida continua, o ar é eventualmente resfriado até sua temperatura de ponto de orvalho, e a condensação começa a ocorrer. Isto é mostrado na Figura 4.10 como o nível de condensação de elevação. O nível de condensação de elevação é assim determinado pela temperatura inicial do ar e seu ponto de orvalho inicial
e pode diferir do exemplo aqui mostrado. Se a parcela de ar saturado continuar a subir, um novo princípio entra em efeito – liberação de calor latente.
Isto é, quando a condensação ocorre, o calor latente é liberado pelas moléculas de água condensada e aquece as moléculas de ar ao redor.
Em outras palavras, dois efeitos estão ocorrendo ao mesmo tempo. Primeiro, o ar elevado está sendo resfriado pela redução da pressão atmosférica. Segundo, ele está sendo aquecido pela liberação de calor latente da condensação.
Que efeito é mais forte? Como acontece, o efeito de resfriamento é mais forte, então o ar continuará a esfriar à medida que for subindo. No entanto, devido à libertação de calor latente, o arrefecimento irá ocorrer a uma velocidade menor. Esta taxa de resfriamento para ar saturado é chamada de taxa de vazamento adiabático úmido e varia entre 4 e 9°C por 1000 m (2,2-4,9°F por 1000 pés). Ao contrário da taxa de tempo de espera adiabático seco, que permanece constante, a taxa de tempo de espera adiabático úmido é variável porque depende da temperatura e pressão do ar e do seu teor de umidade. Para a maioria das situações, no entanto, podemos usar um valor de 5°C/1000 m (2.7°F/1000 ft). Na Figura 4.10, a taxa adiabática úmida é mostrada como uma linha ligeiramente curva para indicar que seu valor muda com a altitude.
Keep, tendo em mente que à medida que a parcela de ar fica saturada e continua a subir, a condensação está ocorrendo. Esta condensação produz gotas líquidas e partículas sólidas de gelo que formam nuvens e eventualmente precipitação.