Hidrometeorologia Aula 3 - Curso Técnico em Hidrologia (CTH) Prof. Fernando Mainardi Fan
Sumário da Aula O ar atmosférico Vapor de água na atmosfera Radiação solar e balanço de energia Balanço geral da terra Radiação no topo da atmosfera Radiação através da atmosfera Balanço de energia na superfície» Ondas curtas» Ondas longas» Albedo» Fluxo de calor sensível» Fluxo de calor latente
O ar atmosférico O ar atmosférico é uma mistura de gases em que predomina o nitrogênio (78%) e o oxigênio (21%). O vapor de água no ar atmosférico varia até um máximo próximo de 4%. Em percentagens menores o ar atmosférico também contém partículas orgânicas e inorgânicas, que têm um papel fundamental no ciclo hidrológico, pois formam os núcleos de condensação do vapor de água nas nuvens.
Troposfera A maior parte do ar atmosférico e do vapor de água encontra-se na camada mais próxima à superfície, chamada troposfera. Esta camada tem uma espessura de 10 a 12 Km. A temperatura do ar na troposfera é maior ao nível do mar e menor no topo da camada. O gradiente de temperatura é de aproximadamente 6,5 o C a cada quilômetro. Assim, se ao nível do mar a temperatura é de 20 o C, no topo da troposfera a temperatura é de, aproximadamente, - 45 C.
Vapor de água no ar O ar atmosférico é uma mistura de gases entre os quais está o vapor de água. A máxima quantidade de vapor de água que o ar pode conter é limitada, e é denominada concentração de saturação (ou pressão de saturação).
Lei de Dalton De acordo com lei de Dalton cada gás que compõe uma mistura exerce uma pressão parcial, independente da pressão dos outros gases, igual à pressão que exerceria se fosse o único gás a ocupar o volume.
Pressão de saturação de vapor no ar
Umidade absoluta na saturação
Equação 17,27 T e s 611 exp 237, 3 T e s dado em pa pela fórmuala
Umidade relativa A umidade relativa é a medida do conteúdo de vapor de água do ar em relação ao conteúdo de vapor que o ar teria se estivesse saturado. Assim, ar com umidade relativa de 100% está saturado de vapor, e ar com umidade relativa de 0% está completamente isento de vapor.
Umidade relativa e UR 100 e s onde UR é a umidade relativa; e é a pressão parcial de vapor no ar e s é pressão de saturação.
Temperatura de ponto de orvalho A temperatura de ponto de orvalho é definida como a temperatura a qual o ar deve ser resfriado para que atinja o ponto de saturação de vapor.
Temperatura de ponto de orvalho e umidade relativa UR 100 e e s
Carta psicrométrica
Temperatura de ponto de orvalho Para uma dada pressão de vapor (e) inferior à pressão de saturação (es), a temperatura de ponto de orvalho pode ser calculada por: T d ln 0,0708 e 0,4926 0,00421 ln e onde T d está em o C e e em KPa.
Exercícios Determine a temperatura do ponte de orvalho para hoje em Porto Alegre usando os dados do INMET, considerando que a cidade está próxima do nível do mar. http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r= estacoes/estacoesautomaticas
Radiação solar e balanço de energia A radiação emitida por um corpo depende da sua temperatura Quanto maior a temperatura, maior a freqüência da radiação O SOL O sol emite radiação como um corpo negro a 6000 K, numa faixa de comprimentos de onda que vai desde ultravioleta até o infravermelho, com um máximo na faixa da radiação visível.
Lei de Planck Max Planck estabeleceu o marco inicial da teoria quântica ao utilizar conceitos de unidade quântica para descrever as propriedades das partículas subatômicas e as interações entre a matéria e a radiação.
Espectro da Radiação solar
Constante Solar O sol gera cerca de 3,84 x 10 26 W Na posição da Terra isto significa ~1366 W/m 2
Órbita da Terra Afélio: Terra mais distante do Sol Periélio: Terra mais próxima do Sol As datas atuais são: Afélio = 4 de Julho Periélio = 3 de Janeiro Mas atenção! A órbita da Terra se altera! Em 10 mil anos será o contrário! Este material didático certamente estará obsoleto no Ano 12017
Órbita da Terra Menos energia por m 2 Mais energia por m 2 As datas atuais são: Afélio = 4 de Julho Periélio = 3 de Janeiro Mas atenção! A órbita da Terra se altera! Em 10 mil anos será o contrário! Este material didático certamente estará obsoleto no Ano 12017
Correção da Constante Solar Efeito da excentricidade da órbita da Terra sobre a energia Solar recebida É necessário corrigir o valor da Constante Solar por um fator de excentricidade (d r ) 1.04 1.03 1.02 1.01 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 d r 2 1 0,033 cos J 365 0 100 200 300 400 Dia Juliano
Correção da Constante Solar Fator de excentricidade d r 2 1 0,033 cos 365 J Dia Juliano 3 de Janeiro: J=3 1 de Fevereiro: J=32 31 de Dezembro: J=365 1.04 1.03 1.02 1.01 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Dia Juliano
Obstáculos para a radiação do sol
Radiação Solar incidente 100 Fluxo da energia na atmosfera Espaço ondas curtas ondas longas 6 20 4 6 38 26 Atmosfera Absorvida pelo ar e poeira 16 Absorvida pelas nuvens 3 refletida pelo ar refletida pelas nuvens refletida pela superfície Emitida pelo vapor de H 2 O e CO 2 Absorvida pelo vapor de H 2 O e CO 2 15 Emitida pelas nuvens Fluxo de calor latente Absorvida na superfície Emitida pela superfície Fluxo de calor sensível 51 Superfície (Terra + Oceanos) 21 7 23
Fluxo de energia Balanço de energia da Terra chegando saindo 5 10 15 20 25 Comprimento de onda ( m)
Obstáculos para a radiação que deixa a Terra
Radiação que atingiria a Terra caso a atmosfera fosse 100% transparente A radiação solar no topo da atmosfera, medida por sattélites, é da ordem de 1367 W.m -2. Sobre a superfície da terra esta energia atinge áreas diferentes, de acordo com a latitude e a época do ano. Da Wikipedia! Total Solar Irradiance upon Earth (TSI) was earlier measured by satellite to be roughly 1.366 kilowatts per square meter (kw/m²), [7][9][10] but most recently NASA cites TSI as "1361 W/m² as compared to ~1366 W/m² from earlier observations [Kopp et al., 2005]", based on regular readings from NASA's Solar Radiation and Climate Experiment(SORCE) satellite, active since 2003,
Sobre a superfície da terra esta radiação solar atinge áreas diferentes, de acordo com a latitude e a época do ano. Isto depende da declinação solar, que é o ângulo entre o eixo de rotação da Terra e uma linha imaginária que une o centro do sol ao centro da Terra
Radiação na superfície com atmosfera transprente
Radiação que atingiria a superficie na S TOP G SC ausência da atmosfera 24 60 d r sen sen cos cos sen s onde G SC [MJ.m -2.minuto -1 ] é a constante solar (cujo valor é 0,0820 MJ.m -2.minuto -1, o que equivale a cerca de 1367 W.m -2 ; S TOP [MJ.m -2.dia -1 ] é a radiação no topo da atmosfera; δ [radianos] é a declinação solar; φ [radianos] é a latitude; ω s [radianos] é o ângulo do sol ao nascer e... s
Declinação solar
Declinação solar
Declinação solar
Declinação solar
Declinação solar
Declinação solar
Radiação solar ao longo do ano em diferentes latitudes (caso não existisse a atmosfera)
Exemplo Sabendo que: Calor latente de vaporização da água é 2,53MJ.Kg -1 Massa específica da água é 1 kg.l -1 (1kg = 1L) 1mm = 1L/m²
Exemplo
Exercícios Você é um hidrotécnico contratado pela FEPAM responsável por conferir dados de uma estação meteorológica. Um dado de evaporação de tanque classe A que você está verificando resultou está mostrando 15mm em Santa Rosa (latitude ~28 ) em outubro. Este valor está razoável? Por que?
Máximo número de horas de sol N 24 s Onde s é o ângulo do sol ao nascer, que pode ser calculado por: s arccos tan tan
Radiação através da atmosfera
Relação radiação em Bento Gonçalves RS radiação_ sup erfície radição_ topo _ atmosfera Mais nuvens menos nuvens Fonte: Marco Antônio Fonseca Conceição e Francisco Mandelli (2006) Estimativa diária da radiação solar incidente com base no número de horas de brilho solar para a região de Bento Gonçalves, RS Embrapa - Boletim de Pesquisa 12 e Desenvolvimento
Exemplo efeito nuvens Carolina (Maranhão) Latitude 7 o 20 Com nuvens Sem nuvens com nuvens
Efeito das nuvens e da atmosfera Tese de doutorado de Eliseu Weber (UFRGS 2011) Estimativa e mapeamento da radiação solar incidente em superfícies com superfície heterogênea na zona de produção vitivinícola da Serra Gaúcha.
Balanço de energia na superfície R n H E A o S A i G radiação líquida (Rn ou R L ) fluxo de calor sensível (H) fluxo de calor latente (E) fluxo de calor para o solo (G) fluxo de energia por advecção (A) entrando e saindo
Radiação de onda curta S TOP Radiação recebida no topo da atmosfera Topo da atmosfera Radiação refletida a.s SUP S SUP Radiação que chega à superfície energia de ondas curtas absorvida na superfície
Albedo Tipo de superfície Albedo mínimo Albedo máximo Água profunda 0,04 0,08 Solo úmido escuro 0,05 0,15 Solos claros 0,15 0,25 Solos secos 0,20 0,35 Areia branca 0,30 0,40 Grama, vegetação baixa 0,15 0,25 Savana 0,20 0,30 Floresta 0,10 0,25 Neve 0,35 0,90
Radiação de onda longatopo da atmosfera Radiação de onda longa emitida para a superficie Radiação de onda longa emitida pela superfície energia de ondas longas emitida menos recebida
Ondas longas
Fluxo de calor sensível O fluxo de calor sensível é o fluxo de calor por convecção, que ocorre porque a superfície se aquece e, assim, aquece o ar atmosférico em contato direto com a superfície. A turbulência provocada pelo vento se encarrega de redistribuir o ar aquecido para camadas mais altas da atmosfera, resultando num fluxo de energia. O fluxo de calor sensível recebe este nome porque está relacionado à temperatura do ar, que pode ser sentida (Hornberger et al., 1998). A o H S G R n E A i
Fluxo de calor latente O calor latente é a parte da energia interna que não pode ser sentida, ou seja, não está relacionada à temperatura, mas sim ao calor latente de vaporização. O fluxo de calor latente é o fluxo de energia associado ao fluxo de água para camadas mais altas da atmosfera, a partir da superfície. O fluxo de calor latente está, portanto, relacionado ao fluxo de água da superfície para a atmosfera por evapotranspiração. A o H S G R n E A i
Latente x sensível Umidade do solo existe água disponível para evaporar? Umidade do ar o ar é capaz de receber umidade adicional?
Fluxo de energia por advecção R n H E A o S A i G
Fluxos de energia na superfície fluxos durante dois dias
Circulação geral do ar na atmosfera Como resultado do aquecimento desigual, o ar fica mais aquecido em regiões próximas ao Equador.
Circulação geral do ar na atmosfera Ar quente fica menos denso e tende a ascender na atmosfera.
Circulação idealizada da atmosfera se a Terra não girasse e fosse homogênea: Maior aquecimento Solar
Circulação idealizada considerando a rotação da Terra Observar: Ventos alísios Zonas de baixa pressão Zonas de alta pressão Regiões chuvosas Regiões secas
Células de Hadley
http://earth.nullschool.net/ Acompanhe a circulação do ar atmosférico nos dias atuais e previsão de alguns dias Vento e Água precipitável
Zona de Convergência Intertropical (ZCIT)
Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) Alísios hemisfério Norte Alísios hemisfério Sul
Evaporação e evapotranspiração de acordo com a latitude umidade é redistribuída pela circulação atmosférica
Zona de convergência inter tropical (ZCIT)
ZCIT e células
ZCIT ZCIT (faixa de nuvens)
Mais complexidade: correntes de jato
Efeito dos continentes e outros circulação idealizada circulação real Zonas de alta e baixa pressão são descontínuas
Janeiro Zonas de pressão Ventos na superfície ZCIT Julho
Precipitação média a cada 5 dias Observar: franja de chuvas mais intensas associada a ZCIT zonas sem chuva nos centros de alta pressão sobre os oceanos sazonalidade das chuvas no centro do Brasil
Precipitação média anual
Precipitação média em julho
Precipitação média em janeiro
Clima
Procure no youtube por Water Vapor Circulation on Earth http://www.youtube.com/watch?v=qh011eayjaa http://www.youtube.com/watch?v=b2jecbqkdbq
Exercícios
Exercícios Você é um hidrotécnico contratado por uma empresa de hidrometeorologia responsável por processar dados de uma estação meteorológica. Um dado de evaporação de tanque classe A que você está verificando resultou está mostrando 12mm em Foz do Iguaçu (latitude ~25 ) em Julho. Qual a sua opinião sobre este valor?