6.3a O PROCESSO DE BERGERON

        O processo de Bergeron aplica-se a nuvens frias, que estão em temperaturas abaixo de 0° C. Ele se baseia sobre duas propriedades interessantes da água.

        A primeira é a propriedade de que gotículas de nuvem não congelam a 0° C como se esperaria. De fato, água pura suspensa no ar não congela até atingir uma temperatura em torno de -40° C. A situação é análoga à formação de uma gotícula de água pura a partir da fase de vapor. Naquele caso era necessário haver supersaturação para que moléculas na fase de vapor se juntassem, através de colisões aleatórias para formar gotículas embriônicas de água suficientemente grandes para subsistir. Neste caso de congelamento deve haver baixa temperatura para que um embrião de gelo de tamanho suficiente seja formado pela agregação aleatória de um número suficiente de moléculas de água na gotícula. Água em estado líquido abaixo de 0° C é geralmente denominada superesfriada. O congelamento fica facilitado, podendo ocorrer em temperaturas mais altas, quando as gotículas superesfriadas se agruparem sobre a superfície de uma partícula sólida chamada núcleo de congelamento. A necessidade de núcleos de congelamento para iniciar o processo de congelamento é similar à necessidade de núcleos de condensação no processo de condensação. Ao contrário dos núcleos de condensação, contudo, os núcleos de congelamento são menos abundantes na atmosfera e geralmente não se tornam ativos até a temperatura de -10° C (ou menos), conforme mencionamos anteriormente. Portanto, nuvens com temperatura entre 0 e -10° C são tipicamente compostas de gotículas de água superesfriada. Entre -10° C e -20° C gotículas líquidas coexistem com cristais de gelo. Abaixo de -20° C, a temperatura de ativação de muitos núcleos de deposição, as nuvens usualmente consistem inteiramente de cristais de gelo.

        A distribuição de gotículas superesfriadas e cristais de gelo pode ser muito complicada em nuvens com grande desenvolvimento vertical. Cumulonimbus, por exemplo, são compostos por cristais de gelo na parte mais elevada, por uma mistura de gotículas superesfriadas e cristais de gelo na parte média e gotículas de água na parte inferior. Além disso, as fortes correntes de convecção dentro do cumulonimbus transportam gotículas líquidas para cima, onde elas congelam. Esta é uma fonte importante de cristais de gelo em nuvens de tempestades.

        Como os núcleos que formam gotículas de água são muito mais abundantes que núcleos que formam cristais de gelo, nas nuvens com temperaturas entre -10° C e -20° C gotículas de água superesfriada são muito mais abundantes que cristais de gelo, ao menos inicialmente. De fato, um só cristal de gelo pode estar rodeado por centenas de milhares de gotículas de água superesfriada.

        Isso nos traz à segunda propriedade importante da água. A pressão de vapor de saturação sobre cristais de gelo é muito menor que sobre gotículas de água superesfriada (Tab. 6.2). Esta situação ocorre porque cristais de gelo são sólidos, o que significa que moléculas de água individuais no gelo são mantidas juntas mais firmemente que aquelas formando uma gotícula líquida. Portanto, é mais fácil para as moléculas de água escapar de gotículas líquidas superesfriadas. Por isso, as pressões de vapor de saturação são maiores sobre as gotículas líquidas superesfriadas que sobre os cristais de gelo. Conseqüentemente, quando o ar está saturado (UR=100%) em relação às gotículas líquidas, ele está supersaturado em relação aos cristais de gelo. A tabela 6.3, por exemplo, mostra que em -10° C, quando a umidade relativa é 100% em relação à água, ela será de 110% em relação ao gelo.
 

VARIAÇÃO DA PRESSÃO DE VAPOR DE SATURAÇÃO COM A TEMPERATURA
TEMPERATURA
PRESSÃO DE VAPOR DE SATURAÇÃO 
(mb)
(°C)
(°F)
SOBRE A ÁGUA
SOBRE O GELO
50
122
123,40
 
40
104
73,78
 
30
86
42,43
 
20
68
23,37
 
10
50
12,27
 
0
32
6,11
6,11
-10
14
2,86 
2,60
-20
-4
1,25
1,03
-30
-22
0,51
0,38
-40
-40
0,19
0,13
* Note que para temperaturas abaixo do congelamento são dados dois valores, um sobre a água superesfriada e outro sobre o gelo.

Tab. 6.2 - Variação da pressão de vapor de saturação com a temperatura.


UMIDADE RELATIVA EM RELAÇÃO AO GELO QUANDO A UMIDADE RELATIVA EM RELAÇÃO À ÁGUA É 100%
UMIDADE RELATIVA EM RELAÇÃO Á:
TEMPERATURA (°C)
ÁGUA (%)
GELO (%)
0
100
100
-5
100
105
-10
100
110
-15
100
115
-20
100
121

Tab. 6.3 - UR em relação ao gelo quando a UR em relação à água é 100%.

        O processo de Bergeron depende da diferença entre a pressão de saturação do vapor sobre a água e sobre o gelo. Consideremos uma nuvem na temperatura de -10° C, onde cada cristal de gelo está rodeado por muitos milhares de gotículas líquidas. Se o ar está inicialmente saturado em relação à água líquida, ele está supersaturado em relação aos recém-formados cristais de gelo. Como resultado desta supersaturação, os cristais de gelo coletam mais moléculas de água que perdem por sublimação. A deposição remove vapor díágua da nuvem e por isso cai a umidade relativa abaixo de 100%, e as gotículas se evaporam. Assim a evaporação contínua das gotículas fornece uma fonte de vapor e os cristais de gelo crescem às custas das gotículas de água superesfriada (Fig. 6.2).

Fig. 6.2 - O processo de Bergeron

        Como o nível de supersaturação em relação ao gelo pode ser grande, o crescimento de cristais de gelo é geralmente rápido o suficiente para gerar cristais suficientemente grandes para cair. Durante sua descida estes cristais de gelo aumentam à medida que interceptam gotículas superesfriadas de nuvem que congelam sobre eles. É o processo de acreção, que leva a estruturas com orlas de gotículas congeladas. O granizo é um caso extremo de crescimento de partículas de gelo por acreção. Ele consiste de uma série de camadas quase concêntricas. É produzido somente em cumulonimbus, onde as correntes ascendentes são fortes e há suprimento abundante de água superesfriada. Granizo começa como pequenos embriões de gelo que crescem coletando gotículas superesfriadas enquanto caem através das nuvens. Se encontram uma forte corrente ascendente, eles podem ser levantados novamente e recomeçar a jornada para baixo. Cada viagem através da região de água superesfriada da nuvem pode representar uma camada adicional de gelo.

        Os cristais de gelo podem crescer também colidindo e aderindo uns aos outros, formando cristais maiores, que são os flocos de neve. Este é o processo de agregação. Quando a temperatura da superfície está acima de 4° C, os flocos de neve geralmente derretem antes de atingir o solo e continuam caindo como chuva.

        A semeadura de nuvens usa o processo de Bergeron. Adicionando núcleos de congelamento (comumente iodeto de prata) a nuvens com água superesfriada pode-se mudar a evolução destas nuvens.

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