Estudo da formação e evaporação de gotas nucleadas por aerossóis solúveis

Abstract

Neste trabalho são estudados os aerossóis solúveis que se encontram em concentrações mais significativas em duas cidades portuguesas no ano de 1990 (Faro e Bragança), nomeadamente no que respeita à sua influência na formação e estabilidade de nevoeiros locais. Devido à proximidade do Oceano Atlântico, o cloreto de sódio (NaCI) é o aerossol solúvel natural mais significativo. Por outro lado, o sulfato de amónio ( (NH4)2SO4 ), o nitrato de amónio ( NH4NO3 ) e o cloreto de amónio ( NH4C1) são aerossóis solúveis de origem antropogénica com alguma importância. A uma dada razão de saturação e temperatura, a energia livre de formação (energia livre de Helmholtz) de uma gota com um dado raio, formada a partir da condensação do vapor de água em aerossóis solúveis, fornece informação importante acerca da contribuição destes para as características dos nevoeiros locais. Deste modo, valores negativos da energia livre de formação estão associados com a facilidade de formação de gotas. Por outro lado, a barreira de estabilidade, definida como a diferença entre o máximo e o mínimo da energia livre de formação fornece informação acerca da estabilidade termodinâmica da goticula. De facto, se a barreira de estabilidade apresenta um pequeno valor, as colisões de gotas seguidas da coalescência podem conduzir à formação de gotas instáveis. O cálculo da energia livre de formação foi efectuado para dois valores da massa (1019 kg e 10-2° kg) de cada um dos quatro tipos de aerossol e para valor da temperatura e razão de saturação nos intervalos de 0°C - 30°C e 0.98 - 1.01, respectivamente. As curvas de Kõhler, que fornecem informação adicional sobre a relação entre o raio de equilíbrio da gotícula e as condições de saturação foram, também, determinadas para todas estas situações. Os resultados permitiram as seguintes conclusões: a) para a mesma concentração na atmosfera, os aerossóis de NH4C1 e NaCI dão a maior contribuição para a formação de nevoeiros. As contribuições dos aerossóis (NH4)2SO4 e NH4NO3 são significativas mas de menor importância; b) para valores da razão de saturação abaixo de 1.0, todas as goticulas são termodinâmicamente estáveis; c) em condições de sobressaturação (0.01), a barreira de estabilidade decresce abruptamente e o nevoeiro torna-se termodinâmicamente instável. Nesta situação, as gotas formadas por coalescência continuam a crescer por condensação do vapor de água até à sua queda por gravidade. Isto acontece principalmente com as goticulas formadas a partir de NH4C1 e NaCI, sendo as goticulas formadas a partir de (NH4)2SO4 e NH4NO3 muito mais estáveis. Adicionalmente, foi constatado que para razões de saturação acima de 0.97, todos, estes aerossóis contribuem para a formação de gotas. De facto, a análise dos dados meteorológicos sinópticos (para o ano de 1990) destas duas cidades portuguesas (Faro e Bragança) mostrou que nevoeiro ou neblina ocorreram em todas as situações correspondentes a razões de saturação acima de 0.97. *** Abstract - Soluble aerosols found with significant concentrations in the atmospheres of two Portuguese cities in the year of 1990 are considered in this work, namely for their role in the formation and stability of local fogs. Due to the proximity of the Atlantic Ocean, NaCI is the dominant natural soluble aerosol. On the other hand, (N114)2SO4, NH4NO3 and NH4C1 are anthropogenic soluble aerosols of some importance. At a given saturation ratio and temperature, the free energy of formation (Helmholtz free energy) of a droplet of a given radius, formed from condensation of water vapour on solubles aerosols, provides important information about the contribution of these ones to the characteristics of local fogs. In this way, negative values of the energy of formation are associated with the facility of drop formation. On the other hand, the energy gap (stability barrier) defined as the difference between the maximum and the minimum of the free energy of formation provides information about the thermodynamic stability of the droplet. In fact, if this energy gap is small, drop collisions followed by coalescence may leal to the formation of unstable droplets. The calculation of the free energy of formation and the stability barrier was carried out for two values of the mass (1019 kg and 10-2° kg) of the four aerosols and for temperature and saturation ratio values ranging from 0°C-30°C and 0.981.01, respectively. The Kõhler curves, which provide additional information of the relation between the equilibrium droplet radius and the saturation conditions, were also determined for all these situations. The results allow the following conclusions: a) for the same concentration in the atmosphere, NH4C1 and NaCI give the main contribution to fog formation. The contributions of (NH4)2SO4 and NH4NO3 are significant but of less importance; b) for values of saturation ratio below 1.0 all droplets are thermodynamically stable; c) in supersaturation conditions the stability barrier decreases abruptly and the fog becomes thermodynamically unstable. In this situation, droplets formed by coalescence go on growing by condensation of water vapour until they fall under gravity. This happens, namely, with the droplets formed from NH4C1 and NaCI, being the droplets formed from (NH4)2SO4 and NH4NO3 much more stable. Additionally, it was found that, for saturation ratios above 0.97, all these aerosols contribute to droplet formation. In fact, the inspection of the synoptic meteorological data (for the year of 1990) of two Portuguese cities (Faro and Bragança) has shown that fog or mist occurred in a11 situations corresponding to saturation ratios above 0.97.