Meteorologia física é a área da meteorologia que investiga os fenômenos atmosféricos do ponto de vista da física, descrevendo-os e explicando-os a partir de teorias e da análise de resultados experimentais.Wallace and Hobbs: Atmospheric Sciences (livro texto em inglês)
Divisões didáticas Geralmente, os temas da meteorologia física são abordados em duas disciplinas complementares: (1) termodinâmica da atmosfera e (2) Dinâmica de precipitação e microfísica de gotas e cristais.
A Termodinâmica da atmosfera estuda os processos termodinâmicos e a energética dos processos e escoamentos atmosféricos. Também estuda as transformações energéticas envolvidas no escoamento do ar atmosférico em diferentes escalas, por exemplo, em grande escala, estuda a energia potencial das massas de ar e em mesoescala, estuda a modificação das variáveis termodinâmicas, como temperatura,pressão, umidade do ar associadas ao deslocamento vertical das parcelas de ar em escoamento na atmosfera.
Além disso, a termodinâmica da atmosfera estuda os efeitos da convecção (i.e. do transporte turbulento de calor, momento e massa) entre a superfície e a atmosfera. Contribui para o entendimento do balanço de radiação e balanço de energia atmosférico e da superfície. Investiga os fenômenos de mistura na atmosfera, descrevendo-o do ponto de vista teórico e experimental. Também tem como alvo os processo de liberação de calor latente devido à mudança de fase da água na atmosfera úmida, que ocorre durante a formaçao de gotas e cristais de gelo nas nuvens em geral, e também a liberação de calor latente dentro de ciclones tropicais ciclones tropicais (furacões, tufões, etc).
O estudo termodinâmico da atmosfera em geral considera a composição do ar e sua distribuição vertical, seus componentes, como gases e partículas. Além disso, os estudos se debruçam sobre as propriedades e dinâmica de parcelas de ar seco e de ar úmido, suas propriedades conservativas e sobre os efeitos da mudança de fase na dinâmica das parcelas. Para tal, estuda-se a chamada teoria da parcela (clássica e modificada). O papel do vapor de água é de fundamental importância na meteorologia. Conhecendo-se a umidade relativa do ar, ou seja, a quantidade de vapor de água contida na atmosfera em relação a quantidade máxima esperada na saturação, tem-se uma ideia do potencial atmosférico para a ocorrência de chuvas, uma vez que o vapor de água é chamado 'combustível' das tempestades e de outras formas de precipitação (por exemplo, chuviscos,garoa, orvalho).
A estrutura vertical da atmosfera é composta por diversas camadas com estrutura da estabilidade estática diferente, sendo que a troposfera é a mais próxima da superfície (entre a superfície e aproximadamente 12 km). Dentro da troposfera, a temperatura média do ar diminui com a altura sobre a superfície, predominando difusão turbulenta e escoamento turbulento em sua porção inferior e dentro das nuvens de grande desenvolvimento vertical. E a cada nova camada na vertical da atmosfera, a estrutura do gradiente vertical de temperatura (isto é, o lapse rate) se inverte. Por exemplo, na segunda grande camada, estratosfera, a temperatura aumenta com a altura, predominando difusão molecular e escoamento laminar. A temperatura aumenta na estratosfera devido a presença da máxima concentração da camada de Ozônio na altura aproximada de 30 km, e o Ozônio absorve grande quantidade de radiação solar na faixa do ultravioleta, provocando seu aquecimento.
O curso de meteorologia física também trata com detalhes a dinâmica das nuvens, estudando a dinâmica das forças que acabam definindo os diferentes tipos de nuvens e sistemas precipitantes. Uma dessas forças é o empuxo associado a presença de parcelas de ar quente e úmido, flutuantes em um ambiente atmosférico mais frio e seco. A força da gravidade, isto é o peso das parcelas, e as forças de arrasto aerodinâmico também são muito importantes. A convergência do escoamento horizontal do vento também tem um papel destacado na formação das tempestades, assim como a existência de potencial de liberação de energia potencial pela troposfera. As frentes estabelecem zonas particularmente favoráveis `formação de precipitação, sobretudo definindo estensas áreas de precipitação estratiforme, nas quais se encontra imersas pequenas áraes de formação de tempestades e chuvaradas.
Já a microfísica de gotas e cristais debruça-se no estudo dos processos de formação das gotículas de nuvens, gotas de chuva, cristais de gelo, granizo e outros hidrometeoros. Esse estudo mostra a importância fundamental dos núcleos de condensação de nuvens (CCN, cloud condensation nuclei) e dos núcleos de condensação de gelo (ICN de ice condensation nuclei) para a formação de gotículas e microclistais de gelo.
Além disso, a meteorologia física estuda a propagação das ondas acústicas e da radiação eletromagnética pela atmosfera, dos processos físicos que estão envolvidos na produção das nuvens e de fenômenos atmosféricos precipitantes, da eletricidade atmosférica, que acarreta na formação dos raios. Aborda também as reações físico-químicas entre gases e/ou partículas na atmosfera, além da aeronomia, o estudo da alta atmosfera.
Dinâmica de nuvens e microfísica de precipitação Nuvens de bom tempo Nuvens Cúmulos forçadas
Nuvens Cúmulos forçadas formam-se no topo da Camada de Mistura (CM) Convectiva e são formadas a partir de convecção térmica, ou seja, transporte de calor por movimentos verticais do ar. Estas térmicas perdem o empuxo ao penetrar na Camada de transição entre a CM e a Atmosfera Livre. Apesar da condensação de vapor de água no topo aquecer o ar por liberação de calor latente, o aquecimento resultante não é suficiente para prover um empuxo positivo para a parcela. Desta forma, a térmica ascende acima do seu Nível de Condensação por Levantamento (NCL), permanece inteiramente dentro da Camada de Entranhamento (CE) e não atinge seu Nível de Convecção Espontânea (NCE).
Em ambientes com pouco cisalhamento, a circulação resultante apresenta um formato "achatado", pois o ar ascendente da térmica introduz novas parcelas de ar úmido e quente na base da nuvem e as parcelas internas divergem em direção às extremidades enquanto ascendem. O diâmetro da nuvem permanece relativamente constante devido à evaporação contínua das extremidades da nuvem enquanto o ar se move de volta em direção à CM no ramo descendente da célula de circulação convectiva. Em regiões de cisalhamento positivo do vento (vento aumentando com a altura), os cúmulos forçados aparecem inclinados na vertical para o lado que o cisalhamento do vento aponta.
Tais nuvens podem existir por até 20 minutos, enquanto persistir a corrente ascendente, e não persistem após a térmica desaparecer. São muito finas, brancas e brilhantes.
Nuvens Cúmulos ativas Nuvens cúmulos ativas são nuvens de empuxo positivo. Primeiramente são impulsionadas por uma térmica ativadora original e desenvolvem circulações convectivas independentes, quase sempre atingindo maior profundidade do que as nuvens Cúmulos forçadas. A nuvem ascende até seu Nível de Convecção por Levantamento (NCL) com empuxo positivo, atinge seu Nível de Convecção Espontânea (NCE), e a partir deste nível, a ascensão da parcela de ar é espontânea e a nuvem continua o desenvolvimento sob sua própria flutuabilidade (empuxo positivo e circulações próprias), até que alcance uma camada suficientemente estável (ou uma inversão de altitude suficientemente intensa). Neste caso, as parcelas de ar na região do topo da nuvem apresentarão empuxo negativo freando a ascensão e o desenvolvimento da nuvem além daquele nível vertical.
Esta classe de nuvens é chamada de "ativa", pois a nuvem desenvolve circulações convectivas independentes da térmica ativadora, associada à liberação de calor latente e ao empuxo positivo resultante. Pode-se esperar que as nuvens ativas comuns sejam primeiramente impulsionadas por uma térmica original, e então evoluam para um estado onde uma corrente ascendente continuará mesmo após a térmica original ter-se exaurido.
Os topos da maioria das nuvens Cúmulos de bom tempo ativas encontram-se acima Camada limite atmosférica (CLA) convectiva. Portanto, este tipo de cúmulos pode retirar o ar poluído da CLA e depositá-lo mais alto na Atmosfera Livre (i.e. nos níveis médios da troposfera). Estas nuvens são reconhecidas pela presença de uma base achatada, também são brancas e brilhantes, como as passivas. A Atmosfera livre é a parte da troposfera acima da Camada Limite Atmosférica, ou seja é a camada atmosférica onde predomina escoamento laminar (não turbulento), em geral acima de 1,5 km da superfície, não sensível ao ciclo diurno de aquecimento e resfriamento da superfície.
Nuvens Cúmulos passivas Nuvens cúmulos passivas são encontradas nos estágios finais das nuvens ativas e podem ser considerados como dinamicamente ativas, pois às vezes há uma parcela de ar ascendente positivamente flutuante (com empuxo positivo) no topo da nuvem, embora a base da nuvem já tenha começado a evaporar e a desaparecer por entranhamento, que é a mistura de ar ambiente da atmosfera livre com o ar úmido e relativamente quente interno ao cúmulos. Boa parte desse entranhamento ocorre junto ao topo da nuvem e parte nas laterais da nuvem.
Este tipo de nuvem pode ser reconhecido pela ausência de uma base achatada e o aspecto rasgado ou esfarrapado da base destas nuvens (Cúmulos pannus) normalmente estão presentes nas bases de outras nuvens ativas na área, por exemplo, de um cumulonimbus ou de um Nimbustratus.Stull, R. B., 1984: A Fair-Weather Cumulus Cloud Classification Scheme for Mixed-Layer Studies.A short Course in Cloud Physics, 3ª edição, R. R. Rogers & M. K. Yau
Nuvens Cumulonimbus A designação Cumulonimbus (Cb) resulta da união das palavras latinas cumulus, que significa montão, e nimbus, que significa chuva. Na regiões tropicais da Terra, como na Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) a maior parte da precipitação (chuva) provem desse tipo de nuvem. Elas também apresentam um papel importante no ciclo energético e na circulação global da atmosfera uma vez que são muito eficientes no transporte de vapor, temperatura potencial equivalente e poluentes entre diferentes níveis da troposfera, e mesmo da baixa estratosfera. Elas também afetam o saldo do balanço radiativo da troposfera. Além disso, influenciam a qualidade do ar e a química de precipitação. São facilmente encontradas na região tropical sobre os continentes, na faixa equatorial na ZCIT, e internamente na faixa de nuvens das frentes-frias, e em sua retaguarda.
Características : O Cb é uma nuvem com gotas e cristais de grande desenvolvimento (grandes), apresenta grande extensão vertical (comparável a extensão da troposfera, atingindo até 12 km ou mais nos trópicos) e tem forma de uma enorme torre protuberante. Pode assumir a forma calva no qual o topo aparece como um domo ou a forma de uma bigorna, com uma enorme extensão superior lateral. Sua base, em geral é relativamente escura. Crescem a partir de nuvens cúmulos ativos e têm o diâmetro da base entre os 500 m e os 2 km, topo que pode atingir 13 km ou mais de altura e sua circulação tridimensional chega a sentir-se num raio de 20 km ou mais da mesma, na forma de frentes de rajada, perturbações da campo de pressão com a formação de uma meso baixa e de uma meso alta, convergência e divergência do campo de vento superficial. Seu desenvolvimento total pode durar entre 20 minutos e uma hora. POdem aparecer isoladas ou em grupo (cluster). A area de precipitação é menor que a área do Cb. Apresenta zonas internas com escoamento ascendente e descendente simultâneas durante seu estagio maduro.