Água na atmosfera

A água é uma substância que pode ser encontrada em três estados físicos em condições ambientes no planeta Terra: sólido líquido e gasoso. Dessa maneira, essa substância, composta de duas moléculas de hidrogênio e uma de oxigênio, consegue realizar um ciclo: a água líquida vira vapor, condensa, forma nuvens, as gotículas se acumulam, precipitam, escoam para rios e lagos e recomeçam o ciclo da água. Veja mais sobre como a água pode aparecer naturalmente na superfície sob diferentes aspectos.

Existe uma estimativa sobre a distribuição global de água dizendo que 96,5% da água está em forma salgada em mares, baías e oceanos. Dessa menor parte que está na forma doce, 68,7% está no estado sólido em gelos e geleiras, 30,1% no subsolo, uma parte espalhada em lençóis freáticos (que não tem nada a ver com “lago embaixo da terra”, e sim que a água preenche os espaços porosos e permeáveis das rochas e/ou dos solos) e 0,3% está na superfície. Dessa porcentagem, 89% está em rios e lagos (o restante está em pântanos). Assim, o que pode ser recuperado facilmente para o consumo humano é pouco mais do que 0,007%! Para retirar água de outros lugares mais difíceis e tratar para o ser humano beber, como construir um poço, fica mais caro. Por exemplo, existem países que exportam água e que às vezes é mais caro do que um barril de petróleo. Para tirar o sal da água ainda é caro, mas existe muita pesquisa a respeito para baratear a dessalinização.

Considerando o uso direto e indireto da água ao longo de todo o processo produtivo, o Brasil seria o maior exportador de água do mundo. O Brasil desperdiça entre 37 e 42% de água tratada, segundo o governo por causa de vazamentos e mal uso.

Vapor d’água

Do total de água no planeta, apenas 0,001% está na atmosfera, principalmente em suas camadas mais baixas. A quantidade de vapor de água no ar é medida por uma grandeza conhecida como umidade relativa do ar (UR). Como o próprio nome diz, é uma relação entre a quantidade de vapor d’água no ar e a capacidade de saturação do ar. Por sua vez, saturação relaciona-se a encher ou completar alguma coisa. Por exemplo, o ar saturado está com o máximo de sua capacidade de receber vapor d’água e está a ponto de passar do estado gasoso para o líquido e a UR é de 100%. O ar pode ficar saturado através do aumento de vapor d’água no ar e também pela redução de temperatura. Comparando-se com um auditório de 100 lugares e 60 cadeiras ocupadas, existem duas formas de completar as cadeiras com ocupantes: aumentar o número de pessoas ou reduzir o número de lugares. Esse último seria o equivalente a reduzir a temperatura.Quanto mais quente o ar, maior sua capacidade de conter água na forma de gás; quanto mais frio, menor essa capacidade. Dessa forma, o ar atinge a temperatura do ponto de orvalho, ocorrendo a formação de orvalho, nuvens e nevoeiros. É desse jeito que forma aquele “suor” na latinha de refrigerante: o vapor d’água presente no ar encontra o ar frio ao redor da lata gelada e condensa sobre a latinha.

Pelo parágrafo anterior, nota-se que a nuvem não está no estado gasoso, já que nesse estado físico as moléculas estão muito distantes para ficarem visíveis. Considerando-se que o vapor d’água é invisível, muitos livros didáticos estão errados ao representar o vapor d’água como uma nuvem, fumacinha de chaleira ou qualquer representação visível. Em todos esses casos, a água está em pequenas gotículas líquidas de água suspensas na atmosfera. Construí o esquema a seguir que considero mais correto para ilustrar as mudanças de fase da água.

Mudanças de fase da água.

Mudanças de fase da água.

O ideal de umidade do ar para o ser humano é em torno de 60 a 80%. Entre 20 e 30% é considerado estado de Atenção, 12 e 20% é estado de Alerta e abaixo de 12% é estado de Emergência. Muitas vezes dentro das aeronaves a umidade é por volta de 10%, o que é comparável à umidade obtida em um deserto. Veja na figura abaixo algumas dicas para um dia muito seco. Uma ressalva: a umidade possui um ciclo diurno, ou seja, conforme a temperatura sobe, a umidade cai (e vice-versa). Assim, o período mais seco do dia é a tarde, mas isso não quer dizer que a noite continuará seco; geralmente a umidade volta a aumentar conforme a noite avança. Não adianta então umidificar o ar a noite, pois ele já está úmido, e sim isso deve ser feito no período da tarde. Menos ainda colocar uma toalha molhada, pois o poder de evaporação a noite em ambiente fechado é bem reduzido (basta observar que a roupa não seca se ficar úmida dentro do quarto). Caso esteja com dificuldade para respirar a noite, deve-se umidificar diretamente o nariz.

Clique na figura para ampliar.

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Lugares muito secos tendem a perder calor facilmente durante o período da noite (o vapor d’água é o principal gás de efeito estufa, que absorve e reemite a radiação infravermelha e mantém o planeta aquecido), esfriando muito e causando grande amplitude térmica. E diferenças grande de temperatura fazem cair as defesas do organismo, criando um ambiente no corpo favorável ao desenvolvimento de doenças como viroses. Por isso, muitos ficam doentes quando “vira o tempo”, e não só quando faz muito frio.

Um dos mecanismos de controle do calor do nosso corpo é o suor. Quando o suor evapora, ele retira calor da pele e diminui a temperatura do corpo – enxugar o suor estimula o corpo a suar mais sem reduzir a temperatura, fazendo perder líquido sem função. Antes ou logo depois de uma chuva, o ar fica fica saturado umidade, ou seja, ele não pode receber mais vapor de água, e assim o suor demora mais para evaporar. Com isso, o corpo não resfria, vindo aí a sensação de abafamento. Note que o tempo não fica mais frio ou mais quente, é apenas uma sensação fisiológica. Por exemplo, quando acabamos de tomar banho ou sair da piscina, sentimos frio, mesmo que o dia esteja quente, porque a água que ainda permanece na superfície da pele evapora, e rouba calor do corpo. Veja mais sobre sensação térmica clicando no link.

Água sólida

Quando a água passa para o estado sólido, as moléculas se reorganizam de forma cristalina, gerando maior espaço entre as moléculas. Assim, o gelo expande e ocupa mais espaço que a água líquida (por isso a latinha de refrigerante expande ou a cerveja estoura quando congelam). Em livros de aviação, existe a distinção de dois tipos de gelo. O gelo claro (ou cristal), que é o gelo formado pelo acúmulo de gotas líquidas e poucas bolhas de ar no meio, gerando uma camada dura, compacta e transparente, perigosa para a aviação (ex: gelo que se faz nas forminhas de casa). Já o gelo opaco (ou escarcha, do espanhol e significa geada) e um gelo mais esbranquiçado e quebradiço, muitas vezes se forma na janela do avião e muitos acham que é uma rachadura no vidro.

Existem diferentes fenômenos atmosféricos que transformam a água em estado sólido. Muitos não ocorrem naturalmente no Brasil com uma frequência considerável, já em outros países acabam ganhando nomes bem particulares. Por exemplo, já ouvi falar que os esquimós têm mais de 100 palavras diferentes para neve; na verdade, o dicionários de inuit registram uma ou duas palavras para neve, mas ajuda a ilustrar a importância que o fenômeno tem para certos povos.

Veja também nesse link como descongelar um avião e decolar com segurança.

Formação de gelo (em sentido horário): glaze, geada, cristais de neve e granizo. Ao centro, icicles.

Formação de gelo (em sentido horário): glaze, geada, cristais de neve e granizo. Ao centro, icicles.

  • Geada – se forma quando o vapor d’água presente no ar, ao encontrar uma superfície gelada, passa diretamente para o estado sólido. Essa é também conhecida como geada branca, e existe a geada negra, que congela a água no caule, matando essa parte da planta e deixando preta.
  • Granizo – acontece na nuvem Cumulonimbus, que atinge alturas onde a temperatura é muito baixa e algumas de suas gotas passam do estado líquido para o sólido, formando “pedrinhas” de gelo, que aumentam de tamanho conforme agregam água ao “passearem” pela nuvem. Se essas pedrinhas de gelo crescerem muito, elas podem precipitar e atingir a superfície ainda no estado sólido. Ou derreterem no meio do caminho, devido ao atrito e aquecimento com o ar, e formar aqueles pingos enormes que caem uns 30 segundos antes de começar a tempestade. Veja mais no post sobre granizo.
  • Neve – vapor d’água passa diretamente para a fase sólida.
  • Glaze – resultado da chuva congelante, cujas gotas de chuva congelam ao tocar a superfície.
  • Icicle (ou candeeiro, pingente de gelo) – forma-se quando o gelo ou a neve já depositados na superfície (telhado ou árvore) começa a derreter e volta a congelar
  • Frost flower – formada quando camadas finas de gelo são extrudados a partir de plantas de haste longa. A extrusão é um processo mecânico em que o material (água congelando, nesse caso) passa através de um ou mais buracos, adquirindo assim a forma pré determinada pela forma da matriz. As finas camadas de gelo muitas vezes são formados em padrões requintados que se enrolam em “pétalas” que se assemelham a flores. Também podem se formar sobre o mar calmo e congelado devido a alta concentração salina.
  • Hair ice (ou ice wool, frost beard) – se forma na madeira morta e toma a forma de cabelo fino e sedoso. Em 2015, o fungo Exidiopsis effusa foi identificado como chave para a formação de “gelo cabelo”.

Em países muito frios, é comum ver caminhões jogando sal de cozinha (adicionado a areia) nas principais ruas e avenidas próximo a dias com neve. Quando adicionamos algum soluto não volátil a um solvente, o seu ponto de congelamento diminui, pois as interações entre as partículas dissolvidas e as moléculas do solvente (no caso, a água) impedem que as moléculas de água se organizem e formem a estrutura sólida. Ou seja, seria necessário que ficasse ainda mais frio para que a mistura de água e sal congele (taí uma dica para deixar a água bem fria sem congelar, que é o que acontece nos oceanos ou nos coolers de cerveja). Para não ficar tudo derrapando, adiciona-se areia para aumentar o atrito.

O site Meteorópole tem um artigo bem completo e interessante sobre o gelo.

Água líquida

Na atmosfera, existe água no estado líquido na forma de gotículas de nuvem e nevoeiro (ou neblina) ou gotas maiores de chuva e chuvisco (ou garoa) ou orvalho. Veja mais no artigo sobre nuvens.

Tamanhos relativos de gotas de nuvem e gotas de chuva; r é o raio em micrômetros, n é o número por litro de ar, e v é a velocidade terminal de queda em centímetros por segundo. Fonte: Meteorotica.

Tamanhos relativos de gotas de nuvem e gotas de chuva; r é o raio em micrômetros, n é o número por litro de ar, e v é a velocidade terminal de queda em centímetros por segundo. Fonte: Meteorotica.

Existe também um fenômeno bem curioso, chamado água super-resfriada, que é água líquida em temperatura abaixo do seu ponto de congelamento (em torno de 0°C). Qualquer perturbação leva a água de um estado instável para sua situação mais estável nessa condição (ou seja, congela imediatamente). Veja o vídeo a seguir para entender melhor:

Caso exista uma camada de ar quente, com temperatura e altura suficientes para derreter o gelo caindo da nuvem, sobre uma camada mais fria, a água vai cair como gotas de água super-resfriadas até a superfície. Ao entrar em contato com a superfície, a água congelará, efeito esse chamado de chuva congelante (ou “freezing rain”), gerando muitos transtornos. Veja mais sobre o fenômeno em figura no site do ECMWF.

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