Capítulo 3
Na atmosfera, as gotículas de nuvem se formam em aerossóis chamados de núcleos de condensação ou núcleos
higroscópicos (CCN).
A taxa de formação de gotículas é determinada pelo número destes núcleos presentes na atmosfera e não pela colisão estatística.
Em geral, os aerossóis podem ser classificados de acordo com a sua afinidade com a água, ou seja:
a) Neutros;
b) Hidrofóbicos. não tem afinidade com a água
Nucleação em aerossóis neutros requer a mesma
super-saturação que uma nucleação homogênea.
Para aerossóis hidrofóbicos, os quais resistem ao
molhamento, a nucleação é mais difícil e requer valores ainda mais altos de super-saturação.
Para partículas higroscópicas, as quais são solúveis em água, a super-saturação necessária para a formação das gotículas pode ser bem menor do que os valores para
Entre os CCNs presentes na natureza
temos: poeira, fuligem, argila, sal marinho,
pólen, bactérias, gases de combustões,
sulfatos diversos, phytoplankton, matéria
orgânica e etc.
Sabe-se que uma substância não volátil dissolvida no líquido, tende a diminuir a pressão de vapor de equilíbrio do liquido. Por exemplo, pense da seguinte maneira:
“Quando soluto é adicionado ao liquido, algumas moléculas do liquido que estavam na camada superficial são substituídas pelas moléculas do soluto. Logo, se a pressão de vapor do soluto é
menor que a do solvente, a pressão de vapor será reduzida na proporção da quantidade de soluto presente”.
Portanto, este efeito pode reduzir drasticamente a pressão de vapor de equilíbrio sobre a gota;
Como resultado, a gota da solução pode estar em equilíbrio com o ambiente a uma super-saturação bem menor que a da gota de água pura para um mesmo tamanho.
Aerossóis
Adaptado U. Lohmann Nucleação Aitken Acumulação Grossa
Concentração Cortesia Fátima e
Finlayson_Pitts & Pitts, 2000 Cortesia Fátima e Fábio
Características do Aerossol Atmosférico P a r t í c u l a s F i n a s P a r t í c u l a s G r o s s a s F o r m a ç ã o R e a ç õ e s q u í m i c a s N u c l e a ç ã o C o n d e n s a ç ã o C o a g u l a ç ã o P r o c e s s o s n u v e m / f o g Q u e b r a m e c â n i c a S u s p e n s ã o d e p o e i r a s C o m p o s i ç ã o S u l f a t o N i t r a t o A m ô n i o Í o n H i d r o g ê n i o C a r b o n o E l e m e n t a r C o m p o s t o s O r g â n i c o s Á g u a M e t a i s P o e i r a r e s s u s p e n s a C i n z a d e ó l e o e c a r v ã o E l e m e n t o s d o s o l o C a C O 3 , N a C l P ó l e n , e s p o r o s , f u n g o s P n e u s S o l u b i l i d a d e H i g r o s c ó p i c o , s o l ú v e l I n s o l ú v e l e n ã o h i g r o s c ó p i c o F o n t e s C o m b u s t ã o C o n v e r s ã o g á s - p a r t í c u l a R e s s u s p e n s ã o d e p o e i r a i n d u s t r i a l e s o l o C o n s t r u ç ã o / d e m o l i ç ã o A e r o s s o l m a r i n h o T e m p o d e v i d a D i a s a s e m a n a s m i n u t o s A l c a n c e 1 0 0 s 1 0 0 0 s d e k m < 1 0 s d e k m
The physics of clouds B. J. Mason. Clarendon press: Oxford University Press, (2nd Ed.), 1971. 10-2 10-1 100 10+1 10+2 10+3 10+4 10+5 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 1000 micron
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 0,001 0,01 0,1 1 10 D (mm) d N /d lo g D (c m -3 )
marítimo continental rural
urbano local complemento
Distribuição de tamanho
Efeito do Soluto
Eq. de Kohler
Entendendo este efeito
Assuma que uma substância com pressão
parcial de vapor igual a
zero
(
soluto
) sendo
dissolvida em água
(
solvente
).
Se as moléculas do soluto se distribuem
uniformemente através da água, então
algumas delas estarão posicionadas na
camada superficial, logo reduzindo a área
da superfície ocupada pelas moléculas de
água.
Portanto, a fração da área total que fica ocupada
por moléculas de água pode ser definida como:
onde
n
aé o número de moléculas de água e
n
sé numero de moléculas do soluto.
s a a a
n
n
n
x
Neste sentido, podemos dizer que a razão entre
a pressão parcial de vapor d’água de equilíbrio
(
saturação
)
para duas gotículas
(
de mesmo
tamanho
), porém uma com uma de
solução
aquosa
(e
r)
e a outra de
água pura
(e
sc)
,
deve ser
mantida igual na proporção de x
a, logo:
sc r a
e
e
x
Solução Água Purasc r s a a a
e
e
n
n
n
x
Esta expressão define a Lei de Raoult para uma solução
ideal que é comumente enunciada como:
A pressão parcial de vapor de um componente na solução líquida é proporcional à fração molar daquele componente multiplicado pela sua pressão de vapor quando puro.
Manipulando as equações e lembrando que alguns íons
se dissociam (i = número de íons dissociados) durante o
processo, temos que:
s a s a sc r M M m r i e e 1 4 3 1 3
Ma = massa de um mol de água Ms = massa de um mol de soluto ms = massa do soluto
r = raio da gotícula
Esta equação mostra que pressão de
vapor de saturação d’água sobre a
solução diminui rapidamente com o
decréscimo do raio da gota quando um
soluto de massa m
sé dissolvido em
Manipulando as equações e lembrando que alguns íons
se dissociam (i = número de íons dissociados) durante o
processo, temos que:
s a s a sc r M M m r i e e 1 4 3 1 3
Ma = massa de um mol de água Ms = massa de um mol de soluto ms = massa do soluto
r = raio da gotícula
Isso implica que uma gotícula de água
constituída de uma solução estará em
equilíbrio
com o meio a uma pressão
de saturação bem inferior à aquela de
uma gotícula de água pura com mesmo
tamanho
.
s L a s M M im b 4 3 1 3 r b e e sc r r a e r a e e sc s exp s 1 L V T R a 2
Da Eq. de Kelvin, tínhamos
Definindo b como: L v s sc T rR e e 2 exp r a e e s sc 1
Combinando então os dois efeitos:
água pura + soluto
3 1 1 r b r a e e s r 3 1 r b e e e e s sc s r 3 1 r b e e e e e e x e e e e sc s s r s s sc r sc r
0 4 r ab 3
1
r
b
r
a
e
e
s r
Eq. de Kohler 4 3 3 1 1 1 r ab r a r b r b r a e e s r Negligenciando o termo3 1 r b r a e e s r Esta expressão mostra os efeitos da tensão superficial (curvatura) e das substâncias higroscópicas (soluto). Curvatura Soluto
Andreae, M. O., and D. Rosenfeld. "Aerosol–cloud–precipitation interactions. Part 1. The nature and sources of cloud-active aerosols." Earth-Science Reviews 89.1 (2008): 13-41.
Raio Crítico e
Super Saturação Crítica
b a S a b r r b r a dr d dr dS dr e e d s r 27 4 1 3 0 1 0 3 * * 3 S* r*
Andreae, M.O., et al., 2004. Smoking rain clouds over the Amazon. Science 303,1337–1342
The physics of clouds B. J. Mason. Clarendon press: Oxford University Press, (2nd Ed.), 1971. b aS CCN Núm er o de Par tí cul as /c m 3 104 103 102 10 1 Supersaturação (%)
Tamanho Composição Química
Dusek, U., et al., 2006. Size matters more than chemistry for cloud nucleating ability of aerosol particles. Science 312, 1375–1378
Andreae, M. O., and D. Rosenfeld. "Aerosol–cloud–precipitation interactions. Part 1. The nature and sources of cloud-active aerosols." Earth-Science Reviews 89.1 (2008): 13-41.
0 1000 2000 3000 4000 5000 0 500 1000 1500 CCN CONCENTRATION (cm-3) A L T IT U D E ( m ) 21/09-19:30 23/09-20:16 24/01-21:04 27/09-20:03 28/09-19:38 30/09-20:40 01/10-16:25 01/10-21:20 04/10-16:25 05/10-18:18 05/10-21:01 08/10-20:30 11/10-16:10 11/10-18:46 12/10-17:38 13/10-19:50
Distribuição vertical de CCN para 0,5% de
supersaturação
Martins, Jorge Alberto, et al. "Cloud condensation nuclei from biomass burning during the Amazonian dry-to-wet transition season." Meteorology and atmospheric physics 104.1-2 (2009): 83-93.
Distribuição vertical de CCN e razão de mistura
23/09/2002 - 18:00-20:00 0 1000 2000 3000 4000 0 10 20CCN CONC. (102cm-3) - MIX. RATIO (g.kg-1)
A L T IT U D E (m ) 0,2 % 0,3 % 0,5 % 0,7 % Mix.Ratio
Martins, Jorge Alberto, et al. "Cloud condensation nuclei from biomass burning during the Amazonian dry-to-wet transition season." Meteorology and atmospheric physics 104.1-2 (2009): 83-93.
Poluído
Limpo
Martins, Jorge Alberto, et al. "Cloud condensation nuclei from biomass burning during the Amazonian dry-to-wet transition season." Meteorology and atmospheric physics 104.1-2 (2009): 83-93.