MO Cap. 4 — Umidade

1. A água

A água é imprescindível para a vida na Terra: cobre mais de 70% da superfície do planeta e é a única substância que existe nas três fases — gasosa, líquida e sólida — dentro das temperaturas e pressões observadas aqui. Cada molécula tem dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio.

Fonte: YNOUE, Rita Yuri; REBOITA, Michelle S.; AMBRIZZI, Tércio; SILVA, Gyrlene A. M. da. Meteorologia: noções básicas. São Paulo: Oficina de Textos, 2017. Cap. 4 — Umidade.

Edital: Anexo 2-A, Área V (Meteorologia e Oceanografia) — item 16.5 (Umidade do ar): formas de expressar a umidade (absoluta, específica, razão de mistura, pressão de vapor, umidade relativa), ponto de orvalho e psicrometria; item 16.6 (Evaporação) e item 16.7 (Condensação): saturação, orvalho, geada, núcleos de condensação e formas de condensação (chuva, chuvisco, granizo, neve, névoa, nevoeiro) · Anexo 2-B, Área V, item 2 (Ynoue, livro sem lista de capítulos; escopo fixado pelo 2-A).

Este capítulo trata da umidade do ar — quanto vapor d'água a atmosfera contém — e dos fenômenos ligados a ela. Começa pela própria molécula de água e suas mudanças de fase, passa pelas várias maneiras de medir a umidade (com destaque para a umidade relativa e o ponto de orvalho) e termina nas formas de condensação, do orvalho ao nevoeiro.

Quando duas moléculas de água se aproximam, o lado positivo de uma atrai o lado negativo da outra, gerando a ponte de hidrogênio: o oxigênio de uma molécula se liga ao hidrogênio da outra. Essa interação responde pela alta capacidade térmica, pela tensão superficial e pelo alto ponto de ebulição da água. Também explica por que o gelo flutua: ao resfriar até o ponto de solidificação, as pontes de hidrogênio levam à estrutura cristalina hexagonal do gelo, cuja densidade é menor do que a da água. Ou seja, a água se expande ao congelar, enquanto quase todas as outras substâncias se contraem.

1.1 Fases da água e mudanças de fase

Na atmosfera a água aparece em seus três estados físicos. É chamada de gelo ou cristal na fase sólida, água ou água líquida na fase líquida e vapor d'água na fase gasosa. No estado gasoso as moléculas se movem livremente em todas as direções, sem forma definida; no líquido estão mais próximas, mas ainda com movimento de translação umas em relação às outras; no sólido organizam-se num padrão rígido em que apenas vibram, sem translação, tendo forma geométrica definida.

A fase de qualquer substância é determinada pela pressão e pela temperatura. Perto da superfície, em condições normais do Brasil, a água é encontrada nos estados líquido e gasoso; ao diminuir a temperatura, pode passar ao sólido. A passagem de um estado a outro é a mudança de fase, e cada uma recebe um nome próprio:

A vaporização tem três variantes. A evaporação é um fenômeno de superfície: moléculas que ganham energia cinética suficiente escapam da tensão superficial e viram gás a temperaturas abaixo do ponto de ebulição — temperatura na qual a pressão de vapor do líquido se iguala à pressão atmosférica. Na ebulição, o líquido já está na temperatura de ebulição e fica borbulhando enquanto recebe calor. Na calefação, recebe muito calor num curto período e vira gás rapidamente. As demais mudanças completam o quadro: condensação, solidificação, sublimação e ressublimação.

1.2 Saturação

A saturação do ar com relação ao vapor d'água é um conceito central da Meteorologia. Imagine um copo com água: na superfície, as moléculas mais rápidas e dirigidas para fora escapam para o ar — evaporam. Ao mesmo tempo, moléculas de vapor colidem com a superfície e se juntam ao líquido — condensam. A taxa de evaporação é o número de moléculas que evaporam num período; a taxa de condensação, o número que condensa no mesmo período.

Num ar com pouco vapor, a taxa de evaporação costuma superar a de condensação. À medida que a quantidade de vapor aumenta, a taxa de condensação também cresce, até que as duas se igualam. Esse estado de equilíbrio é a saturação. Inserir mais vapor no ar saturado faz as moléculas em excesso se condensarem. Na atmosfera, porém, a saturação é atingida normalmente pela diminuição da temperatura — e não pela adição de vapor.

1.3 Ciclo da água

A água está em movimento contínuo abaixo do solo, sobre a superfície e na atmosfera. A esse movimento dá-se o nome de ciclo da água ou ciclo hidrológico. Por ser um ciclo, não há ponto inicial, mas convém começar pelos oceanos, e a energia que o impulsiona vem do Sol. A radiação solar aquece a superfície dos oceanos; as moléculas com energia suficiente para romper a tensão superficial evaporam para o ar.

Correntes de ar transportam o vapor na horizontal e na vertical; as correntes ascendentes o levam para cima, onde as temperaturas mais baixas o condensam em gotas de nuvens ou o ressublimam em cristais de gelo. Dentro das nuvens, as partículas colidem, agregam-se e crescem até cair como precipitação — chuva, neve ou granizo. Grande parte ocorre sobre os oceanos, mas parte do vapor e das nuvens é levada pelos ventos para os continentes.

Sobre a terra, parte da precipitação escorre (escoamento superficial) e se acumula em lagos e rios, retornando aos oceanos; parte é interceptada pela vegetação ou se infiltra no solo, enchendo os aquíferos, que guardam água doce por longos períodos. Há ainda a evaporação dos rios, lagos e da própria superfície, somada à transpiração de plantas e animais. A neve acumulada em geleiras costuma derreter na primavera e escoar sobre a terra.

2. Umidade

Umidade é a quantidade de vapor d'água na atmosfera, e há várias maneiras de expressá-la. A primeira é a umidade absoluta, definida como a massa de vapor d'água contida num certo volume de ar:

Para entender essa e as próximas definições, introduz-se a parcela de ar: uma pequena bolha encapsulada num balão elástico imaginário, de massa constante, grande o bastante para conter muitas moléculas e pequena o bastante para ter propriedades uniformes. O problema da umidade absoluta é que ela está atrelada ao volume: uma bolha com 20 g de vapor em 1 m³ tem 20 g/m³, mas, se o mesmo vapor ocupar 2 m³, cai para 10 g/m³. Como a parcela se expande e se contrai o tempo todo na atmosfera, a umidade absoluta varia mesmo sem mudança na quantidade de vapor, por isso é pouco utilizada.

Mais útil para a Meteorologia é a umidade específica $(q)$, a massa de vapor d'água contida numa massa de ar:

Sua vantagem é não variar com a expansão ou a contração da parcela: ao expandir o volume, a massa continua a mesma, então $q$ se mantém enquanto a quantidade de vapor não muda. Parecida com ela é a razão de mistura $(r)$, a massa de vapor d'água contida numa massa de ar seco (ar seco = ar menos o vapor):

A razão de mistura é muito próxima da umidade específica, porque a massa de vapor costuma ser muito menor que a massa de ar seco, e tem a mesma vantagem de não mudar com o volume.

Há ainda como quantificar o vapor pela pressão que ele exerce: a pressão do vapor d'água $(e)$. Pela lei das pressões parciais de Dalton, numa mistura gasosa a pressão de cada componente é independente das demais e a pressão total é a soma das parciais. Numa parcela a 1 000 hPa composta de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de vapor d'água, o nitrogênio exerce 780 hPa, o oxigênio, 210 hPa, e o vapor, 10 hPa. Quanto mais vapor, maior a pressão de vapor.

A pressão de vapor depende da temperatura e da quantidade de moléculas de vapor. Em temperaturas altas as moléculas se movem mais rápido e exercem maior pressão nas paredes da parcela. A temperatura constante, inserir mais vapor aumenta a pressão exercida por esse gás. Mas existe um limite: a quantidade máxima de vapor que cabe numa parcela a dada pressão e temperatura — exatamente a saturação. A pressão de vapor de saturação $(e_s)$ é a pressão na qual as taxas de evaporação e condensação se igualam, ou a pressão que o vapor exerce com o ar saturado a uma dada temperatura. Ela depende basicamente da temperatura: quanto mais quente, maior a pressão de vapor necessária para saturar.

Entre todas as medidas, a mais usada é a umidade relativa (UR), mas ela exige cuidado. É a razão entre o vapor existente na atmosfera e o vapor que a saturaria, a uma dada temperatura e pressão. Substituindo o vapor pela pressão de vapor:

Pode-se também escrevê-la em função da razão de mistura:

Um ar com 50% de UR contém metade do vapor necessário para saturar; com 100% está saturado; e com mais de 100% é supersaturado. A umidade relativa muda por dois caminhos: alterando a quantidade de vapor ou alterando a temperatura.

Variando a quantidade de vapor (temperatura fixa)

Mantendo a temperatura em 20 °C, a razão de mistura de saturação fica fixa em $r_s = 15$ g/kg (ao nível médio do mar). Adicionar vapor aproxima $r$ de $r_s$ e eleva a UR; retirar vapor afasta $r$ de $r_s$ e reduz a UR. Os três cálculos abaixo, com $r$ = 3, 7,5 e 15 g/kg, dão 20%, 50% e 100%:

Atingida a igualdade $r = r_s$, a UR chega a 100% e qualquer vapor adicional condensa.

Variando a temperatura (vapor fixo)

Conforme a pressão de saturação, a razão de mistura de saturação aumenta com a temperatura e diminui ao resfriar. Mantendo o vapor em 5 g/kg e baixando a temperatura de 20 °C para 5 °C, a saturação cai de 15 para 5 g/kg e a UR sobe de 33% para 100%:

Resumindo o duplo controle: com o vapor constante, elevar a temperatura aumenta $r_s$ e reduz a UR; reduzir a temperatura diminui $r_s$ e eleva a UR. Por isso, em São Paulo, em dias de pouca variação de vapor (como após uma frente fria), a UR é comandada pela temperatura: cai à tarde, quando a temperatura é máxima, e sobe de madrugada, quando a temperatura é mínima.

2.1 Temperatura de ponto de orvalho

A temperatura de ponto de orvalho é a que se obtém ao resfriar o ar até a saturação, mantendo a pressão e o conteúdo de vapor constantes. Por isso é sempre menor ou igual à temperatura do ar. Quanto mais vapor na atmosfera, maior o ponto de orvalho; quanto menos vapor, menor. É uma medida útil porque permite estimar a temperatura mínima da próxima madrugada e prever a formação de orvalho ou geada: com menos vapor, a atmosfera absorve menos radiação terrestre à noite e a mínima cai mais (em noite de céu limpo e ventos calmos).

A diferença entre a temperatura do ar e o ponto de orvalho também estima a UR: quanto maior a diferença, menor a UR; quando as duas se igualam, a UR é 100%. Mas é preciso interpretar com cuidado. Uma massa de ar polar a -2 °C com ponto de orvalho de -2 °C tem UR de 100%; uma massa desértica a 35 °C com ponto de orvalho de 10 °C tem UR de apenas 21%. Apesar da UR menor, o deserto tem mais vapor (ponto de orvalho mais alto), logo umidade absoluta, umidade específica e razão de mistura maiores que a massa polar.

2.2 Medindo a umidade

O instrumento mais comum para medir a UR é o psicrômetro: dois termômetros idênticos lado a lado. O de bulbo seco fornece a temperatura do ar; o de bulbo úmido tem o bulbo envolto numa musselina, um tecido leve e transparente. Molha-se o tecido e força-se uma corrente de ar (girando o instrumento ou ventilando-o); a evaporação da água retira calor e a temperatura cai até um valor mínimo estacionário — a temperatura de bulbo úmido. Quanto mais seco o ar, maior o resfriamento.

A UR é calculada pela depressão do bulbo úmido — a diferença entre as temperaturas de bulbo seco e úmido. Quanto maior essa diferença, menor a UR; se o ar estiver saturado, não há evaporação e os dois termômetros marcam o mesmo valor. Usa-se uma tabela psicrométrica (válida para a pressão local) para converter as leituras em UR. Em São Paulo (pressão média de 930 hPa), com bulbo seco de 27 °C e bulbo úmido de 20 °C, a depressão é de 7 °C e a UR resultante é de 53%.

Outro instrumento é o higrômetro de cabelo: o cabelo humano e a crina de cavalo esticam quando a umidade aumenta e contraem quando ela cai, propriedade aproveitada também nos termo-higrógrafos, que registram temperatura e umidade ao mesmo tempo.

3. Formas de condensação

Atingida a saturação, podem formar-se gotas de água líquida ou cristais de gelo. As gotas de água ligam-se ao processo de condensação e existem na atmosfera como nevoeiro, neblina ou nuvem, ou sobre uma superfície, caso do orvalho.

3.1 Orvalho e geada

O orvalho é a condensação do vapor d'água atmosférico sobre uma superfície. Costuma ocorrer após uma noite de céu aberto e sem vento: a superfície resfria emitindo radiação terrestre para o espaço, e o ar logo acima resfria por condução. Se a superfície atinge o ponto de orvalho, o vapor adjacente se condensa em pequenas gotas — o orvalho.

Se o ponto de orvalho for menor que 0 °C e a superfície atingir essa temperatura de congelamento, o vapor pode se depositar como cristais de gelo, dando aspecto branco; e, se já houver orvalho e a temperatura cair abaixo de 0 °C, ele pode congelar. Esses dois casos são chamados de geada branca em Agrometeorologia. Há ainda a geada negra, mais severa, que ocorre com pouca umidade do ar e perda radiativa intensa: a vegetação é resfriada à temperatura letal e, sem deposição de gelo, morre pelo congelamento das células.

3.2 Núcleos de condensação

Assim como o orvalho e a geada precisam de uma superfície, as gotas de nuvem precisam de pequenas partículas sobre as quais o vapor possa condensar. O ar das grandes cidades é poluído, com gases e material particulado, mas mesmo em locais aparentemente limpos há muitas partículas em suspensão (descritas no Cap. 10). Várias delas servem de superfície para a condensação e por isso são chamadas de núcleos de condensação. Sem elas, a condensação só começaria com a UR acima de 100%.

Embora o gelo derreta a 0 °C, a água na atmosfera normalmente não congela nessa temperatura. Quando a saturação ocorre entre 0 °C e -4 °C, o excesso de vapor condensa em água super-resfriada — líquida, porém abaixo de 0 °C; o gelo não se forma nesse intervalo. Para formar cristais de gelo é preciso a existência de núcleos de gelo.

O Instituto Nacional de Meteorologia (Inmet) adota definições padronizadas para os tipos de condensação na atmosfera, resumidas a seguir.

O capítulo seguinte trata da estabilidade da atmosfera e do processo de formação das nuvens e da precipitação, dando continuidade ao que aqui foi visto sobre saturação e condensação.