Nuvens são legais, mas o que torna uma nuvem superlegal?

Todos já passamos algum tempo olhando para as nuvens, procurando por formas ou torcendo para que não chova em nós. Achamos que a maioria das pessoas concordaria que as nuvens, que são frias, são bem legais! Mas o que torna uma nuvem superlegal? Ela teria que ser superfria.

Tudo começa com a água. As nuvens são compostas por minúsculas gotículas de água. Dentro dessas gotículas de água, existem pequenas partículas que vêm de muitas fontes, como o oceano, a terra ou a poluição. Essas partículas são frequentemente chamadas de “sementes” de nuvens. Se as sementes forem grandes o suficiente, são conhecidas como núcleos de condensação de nuvens. Pequenas partículas no ar sobre as quais a água condensa para formar gotículas de nuvens. Para que qualquer gotícula de nuvem se forme, os núcleos de condensação de nuvens devem estar presentes. Você pode pensar nos núcleos de condensação de nuvens como os blocos de construção das nuvens!

O outro ingrediente necessário para formar uma nuvem é água — claro! Mas não água em forma líquida. As nuvens precisam que a água esteja primeiro na fase gasosa, que é conhecida como vapor d’água (água no ar que está na fase gasosa. O ar mais frio pode reter menos vapor d’água do que o ar mais quente.

Quando o ar frio toca uma superfície, o vapor d’água nele contido se transforma em líquido. Em outras palavras, ele se condensa nessa superfície. Você já notou a água condensando nas suas janelas no inverno? Um processo semelhante ocorre com as nuvens. Na atmosfera, à medida que o ar sobe, ele resfria. O vapor d’água no ar frio se condensará nas superfícies dos núcleos de condensação das nuvens, se presentes, formando gotículas líquidas. É assim que as gotículas nas nuvens, chamadas gotículas de nuvens, são formadas. Essas gotículas de nuvens então se unem e crescem, até ficarem tão pesadas que caem do céu como chuva!

Algumas nuvens ficam felizes em permanecer líquidas por toda a vida, especialmente em lugares quentes! Mas em lugares como o Oceano Antártico, as temperaturas estão bem abaixo de zero. Quando a água esfria abaixo de 0 °C, ela quer congelar — e na maioria dos casos, isso acontece. No entanto, em alguns ambientes únicos, a água pode permanecer líquida bem abaixo de 0 °C! Chamamos isso de água líquida super-resfriada. Uma nuvem que existe em temperaturas abaixo de 0 °C e permanece líquida é conhecida como uma nuvem de água líquida super-resfriada. Acima do Oceano Antártico, há mais nuvens de água líquida super-resfriada do que em qualquer outro lugar do mundo [1].

A água líquida super-resfriada só pode existir se for extremamente pura e não contiver um tipo especial de núcleo de condensação de nuvens, conhecido como partícula nucleadora de gelo – pequenas partículas no ar que ajudam a água a passar do estado líquido para o estado congelado. Se a gota de água contiver uma partícula nucleadora de gelo ou se misturar com ar que contenha partículas nucleadoras de gelo, a água congelará.

Apenas alguns tipos de núcleos de condensação de nuvens também podem atuar como partículas nucleadoras de gelo — isso depende da composição da partícula. Poluição e poeira são dois exemplos de partículas que podem ajudar a água a congelar em cristais de gelo. Se uma gota de nuvem não entrar em contato com uma partícula nucleadora de gelo, ela permanecerá líquida até que a temperatura caia abaixo de -38 °C! Esses processos são mostrados na Figura 1.

O Oceano Antártico é um ambiente único

O Oceano Antártico está muito distante da terra e dos humanos (Figura 2). Isso significa que a água nas nuvens teve muito pouco contato com poluição ou poeira. Devido à sua distância, poucas partículas nucleadoras de gelo estão presentes no Oceano Antártico. As nuvens no Oceano Antártico são formadas principalmente por núcleos de condensação de nuvens do oceano, como a maresia, ou pelos gases liberados por pequenas plantas que vivem no oceano, como o fitoplâncton [2]. Algumas partículas na maresia podem atuar como partículas nucleadoras de gelo. No entanto, ainda não temos certeza da importância do papel que essas partículas desempenham.

Isso significa que há menos partículas de gelo nucleadoras no Oceano Antártico para ajudar as gotículas de nuvens a congelarem, e é por isso que as nuvens no Oceano Antártico são compostas de água líquida super-resfriada!

Poucas outras partes do mundo, incluindo outros oceanos, são tão puras quanto o Oceano Antártico. A ausência de partículas de gelo nucleantes faz com que mais nuvens no Oceano Antártico sejam compostas de água líquida super-resfriada do que em qualquer outro lugar do mundo. O outro oceano polar da Terra, o Oceano Ártico, está muito próximo da terra e da influência humana, o que significa que existem mais partículas de gelo nucleantes lá. Nuvens de água líquida super-resfriada podem se formar no Ártico sob as condições certas, mas dados de satélite mostram que elas ocorrem com muito menos frequência.

O isolamento do Oceano Antártico o torna único. Mas esse isolamento também o torna um dos lugares mais difíceis de estudar no mundo!

Superfrio, superlegal e superimportante para o planeta!

Além de serem legais, as nuvens de água líquida super-resfriada também são importantes para o tempo e o clima da Terra.

Tempo e clima são diferentes. O tempo é o estado da atmosfera em um determinado lugar e hora que pode mudar rapidamente. Por exemplo, se está ensolarado em um dia e chovendo no outro — esse é o tempo. O clima consiste nas condições médias ao longo de um longo período. Por exemplo, você pode saber que o verão geralmente é quente e seco, ou quente e chuvoso na sua cidade, dependendo de onde você mora. Tanto o tempo quanto o clima precisam ser compreendidos porque impactam as escolhas que fazemos todos os dias. Devo levar um guarda-chuva hoje? Verifique a previsão do tempo! Quero passar minhas férias nadando na praia — para onde eu iria? Para algum lugar com um clima quente e seco!

Nuvens de água líquida super-resfriadas são importantes tanto para o tempo quanto para o clima porque se comportam de maneira diferente em comparação com as nuvens de gelo. Elas duram mais do que as nuvens de gelo e também refletem mais luz solar de volta para o espaço (Figura 3). Ambos os comportamentos podem ajudar a resfriar a superfície do oceano quando o sol está brilhando. Isso significa que o fato de as nuvens serem líquidas ou feitas de gelo pode influenciar o quão quente é a superfície do oceano.

Isso é importante para o clima de longo prazo, equilibrando a quantidade de energia na atmosfera da Terra, bem como para todos os animais marinhos que vivem perto da superfície e são influenciados pelo clima.

Como Estudamos as Nuvens do Oceano Antártico?

Como cientistas, queremos entender as nuvens de água líquida super-resfriadas para que possamos entender e prever o tempo e o clima do Oceano Antártico e da Terra. Uma maneira de fazer isso é usando computadores para fazer modelos.

Modelos climáticos são modelos matemáticos da atmosfera da Terra em longas escalas de tempo. Usamos esses modelos para prever o clima futuro da Terra (e também modelos de previsão do tempo) utilizando nosso conhecimento de física e química para criar uma versão “virtual” da nossa atmosfera em um computador.

No momento, nossos modelos climáticos têm alguns problemas. Eles acham que o Oceano Antártico tem a mesma quantidade de partículas nucleadoras de gelo que o resto dos oceanos do mundo [3]. Sabemos que isso não é verdade. Por causa disso, os modelos preveem menos nuvens de água líquida super-resfriadas do que o que observamos, o que significa que eles também preveem muita luz solar atingindo o oceano [4]. Tudo isso significa que nossos modelos climáticos são menos precisos sobre muitas outras partes do clima do Oceano Antártico, como as temperaturas da superfície do oceano!

Os cientistas estão trabalhando arduamente para corrigir esses problemas usando observações para testar e aprimorar os modelos, mas os dados são difíceis de obter. O Oceano Antártico é um lugar remoto e inóspito, portanto, existem pouquíssimas medições das nuvens sobre o Oceano Antártico em comparação com outras partes do mundo. A maioria das observações que temos para a região foi feita apenas durante o verão, e as expedições em geral duram apenas cerca de um mês [5]. Essa falta de dados sobre o Oceano Antártico é uma das razões pelas quais os modelos climáticos acreditam que há muito mais partículas nucleadoras de gelo na região do que realmente há.

Mais medições são essenciais

Felizmente, cientistas ao redor do mundo estão planejando muitas expedições de pesquisa ao Oceano Antártico nos próximos anos. Essas expedições incluem navios, aviões, drones, satélites e estações terrestres em ilhas e no continente antártico. Os cientistas estudarão muitas áreas do vasto Oceano Antártico e também tentarão realizar medições em outras estações além do verão, para tentar preencher as lacunas em nosso conhecimento.

Muitas dessas expedições tentarão entender essas partículas e como elas alteram as nuvens. As medições incluirão quantas partículas estão no ar, qual o seu tamanho, do que são feitas e se podem atuar como partículas nucleadoras de gelo. Também queremos saber de onde vieram as partículas, então mediremos o que está no oceano e observaremos o que o vento pode estar trazendo de longe.

Também analisaremos os tipos de nuvens presentes e a quantidade de luz solar que as atravessa. Nuvens de água líquida super-resfriadas se parecem com quaisquer outras nuvens, por isso é difícil diferenciá-las apenas olhando para elas. Este é outro motivo pelo qual novas medições são tão importantes. Por exemplo, podemos usar uma técnica chamada Detecção e Alcance de Luz (LiDAR na sigla em inglês), que emite um feixe de laser e mede quanto tempo ele leva para refletir em um objeto, informando a distância, o formato e o tamanho do objeto. A técnica projeta um laser nas nuvens e mede o que é refletido de volta, fornecendo informações que ajudam a identificar a composição das nuvens. Instrumentos LiDAR podem ser transportados por navios, para observar as nuvens, ou podem ser localizados em satélites e aviões, para observá-las de cima.

Medições como essas serão então inseridas em nossos modelos computacionais, para aprimorar tanto as previsões meteorológicas quanto as climáticas!

As nuvens super-resfriadas do Oceano Antártico

Esperamos que você concorde conosco em afirmar que as nuvens do Oceano Antártico são superlegais! Sua importância para o Oceano Antártico, bem como para toda a Terra, é reconhecida pelos cientistas há muito tempo. No entanto, ainda temos muito trabalho a fazer para garantir que entendamos essas nuvens e as modelemos adequadamente. As novas expedições de pesquisa contribuirão significativamente para esse esforço. Quem sabe um dia você também possa ajudar!

Glossário

Núcleos de Condensação de Nuvens: Pequenas partículas no ar sobre as quais a água se condensa para formar gotículas de nuvem.

Vapor de Água: Água no ar que está na fase gasosa.

Água Líquida Super-resfriada: Água que existe como líquido abaixo de 0°C.

Partículas Nucleadoras de Gelo: Pequenas partículas no ar que ajudam a água a passar do estado líquido para o estado congelado.

Tempo Atmosférico: O estado da atmosfera em um determinado local e momento.

Clima: As condições médias de longo prazo da atmosfera.

Modelos Climáticos: Modelos matemáticos da atmosfera terrestre em longas escalas de tempo. Usamos esses modelos para prever o clima futuro da Terra.

Detecção e Alcance de Luz (LiDAR): Uma técnica que emite um feixe de laser e mede o tempo que ele leva para refletir em um objeto, informando a distância, o formato e o tamanho do objeto.

Referências

[1] Huang, Y., Protat, A., Siems, S. T., e Manton, M. J. 2015. A-train observations of maritime midlatitude storm-track cloud systems: comparing the southern ocean against the north Atlantic. J. Clim. 28:1920–39. doi: 10.1175/JCLI-D-14-00169.1

[2] Hamilton, D. S., Lee, L. A., Pringle, K. J., Reddington, C. L., Spracklen, D. V., e Carslaw, K. S. 2014. Occurrence of pristine aerosol environments on a polluted planet. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111, 18466–18471. doi: 10.1073/pnas.1415440111

[3] Vergara-Temprado, J., Miltenberger, A. K., Furtado, K., Grosvenor, D. P., Shipway, B. J., Hill, A. A., et al. 2018. Strong control of southern ocean cloud reflectivity by ice-nucleating particles. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 115, 2687–2692. doi: 10.1073/pnas.1721627115

[4] Bodas-Salcedo, A., Hill, P. G., Furtado, K., Williams, K. D., Field, P. R., Manners, J. C., et al. 2016. Large contribution of supercooled liquid clouds to the solar radiation budget of the southern ocean. J. Clim. 29, 4213–4228. doi: 10.1175/JCLI-D-15-0564.1

[5] Mallet, M. D., Humphries, R. S., Fiddes, S. L., Alexander, S. P., Altieri, K., Angot, H., et al. 2023. Untangling the influence of Antarctic and Southern Ocean life on clouds. Elementa 11, 1–18. doi: 10.1525/elementa.2022.0013

 

Citação

Fiddes SL, Mallet MD, Alexander SP e Protat A (2023) Why Are Clouds Over the Southern Ocean Super-Cool?. Front. Young Minds. 11:1045912. doi: 10.3389/frym.2023.1045912

Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Creative Commons Attribution License (CC BY). O uso, distribuição ou reprodução em outros fóruns é permitido, desde que o(s) autor(es) original(is) e o(s) proprietário(s) dos direitos autorais sejam creditados e que a publicação original nesta revista seja citada, de acordo com a prática acadêmica aceita. Não é permitido nenhum uso, distribuição ou reprodução que não esteja em conformidade com estes termos.