Física das nuvens é o estudo dos processos físicos que levam à formação, crescimento e precipitação das nuvens atmosféricas. Esses aerossóis são encontrados na troposfera, estratosfera e mesosfera, que juntas compõem a maior parte da homosfera. As nuvens consistem em microscópicas gotículas de água líquida (nuvens quentes), pequenos cristais de gelo (nuvens frias) ou ambos (nuvens de fase mista), juntamente com partículas microscópicas de poeira, fumaça ou outras substâncias, conhecidas como núcleos de condensação.

As gotículas das nuvens se formam inicialmente pela condensação de vapor de água sobre núcleos de condensação quando a supersaturação do ar excede um valor crítico, de acordo com a teoria de Köhler. Os núcleos de condensação de nuvens são necessários para a formação das gotículas devido ao efeito Kelvin, que descreve a mudança na pressão de saturação do vapor em função de uma superfície curva. Em pequenos raios, a supersaturação necessária para a condensação ocorrer é tão grande que não acontece naturalmente. A lei de Raoult descreve como a pressão de vapor depende da quantidade de soluto em uma solução. Em altas concentrações, quando as gotículas são pequenas, a supersaturação necessária é menor do que sem a presença de um núcleo.

Em nuvens quentes, gotículas maiores caem com uma velocidade terminal mais alta, pois, em uma determinada velocidade, a força de arrasto por unidade de peso das gotículas menores é maior do que nas maiores. As gotículas grandes podem colidir com as pequenas e se combinar, formando gotas ainda maiores. Quando as gotas se tornam grandes o suficiente para que sua velocidade descendente (relativa ao ar ao redor) seja maior que a velocidade ascendente (relativa ao solo) do ar ao redor, as gotas podem cair como precipitação. A colisão e coalescência não são tão importantes em nuvens de fase mista, onde o processo de Bergeron predomina. Outros processos importantes que formam a precipitação incluem a concreção (riming), quando uma gota super-resfriada colide com um floco de neve sólido, e a agregação, quando dois flocos de neve sólidos colidem e se combinam.

A mecânica precisa de como uma nuvem se forma e cresce não é completamente compreendida, mas os cientistas desenvolveram teorias explicando a estrutura das nuvens ao estudar a microfísica das gotículas individuais. Avanços em radar meteorológico e tecnologia de satélites também permitiram o estudo detalhado das nuvens em grande escala.

História da física das nuvens

A física moderna das nuvens começou no século XIX e foi descrita em diversas publicações. Otto von Guericke propôs a ideia de que as nuvens eram compostas por bolhas de água. Em 1847, Augustus Waller usou uma teia de aranha para examinar gotículas sob o microscópio. Essas observações foram confirmadas por William Henry Dines em 1880 e Richard Assmann em 1884.

Formação de nuvens

Resfriamento do ar até o ponto de orvalho

thumb|300px|Evolução de nuvem em menos de um minuto

Resfriamento adiabático

À medida que a água evapora de uma superfície terrestre, o ar sobre essa área torna-se úmido. O ar úmido é mais leve do que o ar seco ao redor, criando uma situação instável. Quando uma quantidade suficiente de ar úmido se acumula, todo esse ar sobe como um único pacote, sem se misturar com o ar ao redor. Conforme mais ar úmido se forma ao longo da superfície, o processo se repete, resultando em uma série de pacotes discretos de ar úmido que sobem para formar nuvens.

Esse processo ocorre quando um ou mais dos três agentes de elevação possíveis — ciclônico/frontal, convectivo ou orográfico — faz com que o ar contendo vapor de água invisível suba e resfrie até seu ponto de orvalho, a temperatura em que o ar se torna saturado. O principal mecanismo por trás desse processo é o resfriamento adiabático.

A pressão atmosférica diminui com a altitude, fazendo com que o ar ascendente se expanda em um processo que gasta energia e provoca o resfriamento do ar, levando à condensação do vapor de água em nuvens.

O vapor de água em ar saturado normalmente se adere a núcleos de condensação de nuvens, como partículas de poeira e sal pequenas o suficiente para serem sustentadas pela circulação atmosférica normal. As gotículas de água em uma nuvem têm um raio normal de cerca de 0,002 mm (0,00008 in). Essas gotículas podem colidir e formar gotas maiores, que permanecem suspensas enquanto a velocidade ascendente do ar dentro da nuvem for igual ou superior à velocidade terminal das gotas.

Para nuvens não convectivas, a altitude em que a condensação começa a ocorrer é chamada de nível de condensação elevado (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 em ar saturado geralmente se adere a núcleos de condensação, como partículas de sal pequenas o suficiente para serem sustentadas pela circulação atmosférica. Se o processo de condensação ocorrer abaixo do nível de congelamento na troposfera, os núcleos ajudam a transformar o vapor em pequenas gotículas de água. Nuvens que se formam logo acima do nível de congelamento são compostas principalmente por gotículas super-resfriadas, enquanto aquelas que se condensam em altitudes mais altas, onde o ar é muito mais frio, geralmente assumem a forma de cristais de gelo. A ausência de partículas suficientes para condensação no nível de condensação ou acima dele faz com que o ar ascendente se torne supersaturado, dificultando a formação de nuvens.

Elevação frontal e ciclônica

A elevação frontal e ciclônica ocorre em suas manifestações mais puras quando o ar estável, que foi submetido a pouco ou nenhum aquecimento superficial, é forçado a subir em frentes meteorológicas e ao redor de centros de baixa pressão. Frente quentes associadas a ciclones extratropicais tendem a gerar principalmente nuvens cirriformes e estratiformes sobre uma ampla área, a menos que a massa de ar quente que se aproxima seja instável, caso em que nuvens cúmulo-congestus ou cumulonimbus geralmente estarão incorporadas na camada principal de nuvens precipitantes. Frente frias geralmente se movem mais rápido 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.

Elevação convectiva

Outro agente é o movimento convectivo ascendente gerado pelo significativo aquecimento solar diurno ao nível da superfície ou por uma umidade absoluta relativamente alta. A radiação de ondas curtas emitida pelo Sol é reemitida como radiação de ondas longas ao atingir a superfície da Terra. Esse processo aquece o ar próximo ao solo e aumenta a instabilidade da massa de ar, criando um gradiente de temperatura mais acentuado do calor na superfície ao frio em altitudes elevadas. Isso faz com que o ar suba e resfrie até atingir o equilíbrio de temperatura com o ar ao redor. A instabilidade moderada permite a formação de nuvens cumuliformes de tamanho moderado, que podem produzir chuvas leves se a massa de ar for suficientemente úmida. Correntes de convecção típicas podem permitir que as gotas cresçam até um raio de cerca de 0,015 milímetros antes de precipitarem como chuvas. O diâmetro equivalente dessas gotas é de cerca de 0,03 milímetros

Se o ar próximo à superfície se tornar extremamente quente e instável, seu movimento ascendente pode se tornar bastante explosivo, resultando em nuvens cumulonimbiformes imponentes que podem causar tempo severo. À medida que pequenas partículas de água que compõem a nuvem se agrupam para formar gotas de chuva, elas são puxadas para a terra pela força da gravidade. Normalmente, essas gotas evaporariam abaixo do nível de condensação, mas fortes correntes ascendentes mantêm as gotas suspensas por mais tempo do que normalmente permaneceriam. Correntes ascendentes violentas podem atingir velocidades de até 290 km/h. Quanto mais tempo as gotas de chuva permanecem suspensas, mais tempo elas têm para crescer e eventualmente cair como chuvas intensas.

Gotas de chuva que são transportadas bem acima do nível de congelamento se tornam super-resfriadas a princípio e depois congelam em pequenos granizos. Um núcleo de gelo congelado pode aumentar cerca de 1,3 cm de tamanho ao passar por uma dessas correntes ascendentes, podendo circular por várias correntes ascendentes e descendentes antes de se tornar tão pesado que cai ao solo como granizo grande. Cortar uma pedra de granizo ao meio mostra camadas em forma de cebola, indicando momentos distintos em que passou por uma camada de água super-resfriada. Pedras de granizo com diâmetros de até 18 cm já foram encontradas.

A elevação convectiva pode ocorrer em uma massa de ar instável, longe de qualquer frente. Entretanto, ar muito quente e instável também pode estar presente ao redor de frentes e centros de baixa pressão, frequentemente produzindo nuvens cumuliformes e cumulonimbiformes em concentrações mais ativas devido à combinação de agentes de elevação frontal e convectiva. Assim como na elevação convectiva não frontal, o aumento da instabilidade promove o crescimento vertical das nuvens e eleva o potencial para tempo severo. Em ocasiões comparativamente raras, a elevação convectiva pode ser poderosa o suficiente para penetrar a tropopausa e empurrar o topo das nuvens para a estratosfera.

Elevação orográfica

Uma terceira fonte de elevação é a circulação do vento forçando o ar a passar sobre uma barreira física, como uma montanha (elevação orográfica). Se o ar for geralmente estável, nada mais do que nuvens lenticulares se formarão. No entanto, se o ar se tornar suficientemente úmido e instável, chuvas orográficas ou tempestades podem surgir.Pidwirny, M. (2006). "Cloud Formation Processes" , chapter 8 in Fundamentals of Physical Geography, 2nd ed.

Resfriamento não adiabático Além do resfriamento adiabático que requer um agente de elevação, existem três outros mecanismos principais para abaixar a temperatura do ar até o ponto de orvalho, todos ocorrendo próximos ao nível da superfície e que não requerem nenhuma elevação do ar. O resfriamento condutivo, radiacional e evaporativo podem causar condensação ao nível da superfície, resultando na formação de neblina.Ackerman, p. 109 O resfriamento condutivo ocorre quando o ar de uma área de fonte relativamente amena entra em contato com uma superfície mais fria, como quando o ar marinho suave se move através de uma área terrestre mais fria. O resfriamento radiacional ocorre devido à emissão de radiação infravermelha, seja pelo ar ou pela superfície subjacente. Esse tipo de resfriamento é comum durante a noite, quando o céu está limpo. O resfriamento evaporativo acontece quando a umidade é adicionada ao ar por meio da evaporação, forçando a temperatura do ar a cair até o bulbo úmido, ou às vezes até o ponto de saturação.

Adicionando umidade ao ar Existem cinco principais maneiras pelas quais o vapor d'água pode ser adicionado ao ar. O aumento do conteúdo de vapor pode resultar da convergência dos ventos sobre água ou solo úmido em áreas de movimento ascendente. A precipitação ou virga caindo de níveis superiores também aumenta o conteúdo de umidade. O aquecimento diurno faz com que a água evapore da superfície dos oceanos, corpos d'água ou terras úmidas. A transpiração das plantas é outra fonte típica de vapor d'água. Por fim, o ar frio ou seco que se desloca sobre águas mais quentes se torna mais úmido. Assim como no aquecimento diurno, a adição de umidade ao ar aumenta seu conteúdo térmico e instabilidade, ajudando a desencadear processos que levam à formação de nuvens ou nevoeiro.

Supersaturação