universidade federal de itajubÁ eam 510 - fundamentos de meteorologia
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ EAM 510 - FUNDAMENTOS DE METEOROLOGIA. Conceitos e divisões; Sol, terra e atmosfera terrestre. 1. CONCEITOS. Elevado no ar. Meteorologia Meteorologia: Ramo da ciência que estuda os fenômenos físicos da atmosfera terrestre (QUAIS??); Estudo do tempo . - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁEAM 510 - FUNDAMENTOS DE METEOROLOGIA
Conceitos e divisões;
Sol, terra e atmosfera terrestre
1. CONCEITOS
Meteorologia Meteorologia: Ramo da ciência que estuda os
fenômenos físicos da atmosfera terrestre (QUAIS??);
Estudo do tempo. Tempo – descrição instantânea da atmosfera.
Variação geográfica; Variação temporal; Escala diária.
Clima – descrição média da atmosfera (~ 30 anos). Sequenciamento do tempo em um local; Séries históricas de dados; Normais climatológicas
Elevado no ar
Normais climatológicas de Itajubá-MG de 1931-1960 (Temperatura)
22.0 22.0 21.519.5
16.9 15.3 15.117.1
19.1 20.5 21.2 21.619.3
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0Ja
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Fe
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dia
(°C
)
Normais Climatológicas de Itajubá-MG de 1931-1960 (Precipitação)
237 228
164
6541 31 22 27
67
118
164
251
0
50
100
150
200
250
300
Jane
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cip
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mm
)
Normais Climatológicas
1. CONCEITOS (continuação)
Elementos meteorológicos/climáticos: São as grandezas que caracterizam o estado da atmosfera (variáveis). Exemplo: radiação, temperatura, ...;
Fatores meteorológicos/climáticos: são os agentes causais que condicionam os elementos meteorológicos. Exemplo: latitude, longitude, continentalidade...
1. DIVISÕES
Meteorologia física: Ramo que estuda os processos físicos da atmosfera (radiação, temperatura...);
Meteorologia dinâmica: Estuda as forças que originam e mantem os movimentos da atmosfera, e as alterações causadas por esses movimentos (el niño..);
Meteorologia sinótica: Estuda os fenômenos e processos atmosféricos a partir de observações simultâneas (observações do tempo da região);
1. DIVISÕES (continuação)
Meteorologia Ambiental : estudos e controle de poluição atmosférica, planejamento urbano;
Climatologia: estatisticamente os elementos meteorológicos (balanço hídrico climatológico);
Agrometeorologia: Estudo dos elementos e fatores meteorológicos sobre as plantas (estresse hídrico das culturas, fenologia das culturas...);
1. DIVISÕES (continuação)
Biometeorologia: Estudo dos elementos e fatores meteorológicos sobre os animais e o homem;
Hidrometeorologia: elementos e fatores meteorológicos no estudo do ciclo das águas (planejamento e impacto de reservatórios, controle de enchentes e abastecimento);
Meteorologia aeronáutica, marítima, ...
O SOL E SUA ESTRUTURA
2. SOL E SUA ESTRUTURA
Universo
Galáxia (Via Láctea)
Formada por:Estrelas (150 bilhões) +
Matéria interestelar
Sol é uma estrela minúscula, pertencente ao grupo G2
2. SOL E SUA ESTRUTURA (continuação)
Características do sol:
Raio R = 6,599105 km; Idade: ~ 4,6 bilhões de anos; Composição: 71% H + 26,5% He + 2,5 % metais
pesados; Massa ~ 1,9891030 kg (333.000 a massa da Terra); 7 Camadas: núcleo, zona radiativa, zona convectiva,
fotosfera, superfície, cromosfera e coroa.
Núcleo: Produz energia;Diâmetro: 1.100.000 Km;Temp<20.000.000 K;Pressão: 109 atm
90% da massa
Zona radiativa: transporte de energia;Espessura: 150.000 Km
Fotosfera: região visível;Espessura: 300 Km
Cromosfera: aquecimento do espectro solar;Espessura 2.500 Km;Temp 4200 K
Zona convectiva: intensa turbulência;
Cromosfera: Cor avermelhada;
CoroaEspessura: indeterminada;Temp:1 milhão K
2. SOL E SUA ESTRUTURA (continuação)
A energia produzida no núcleo solar é irradiada para as camadas superiores, por meio de colisões entre átomos e elétrons garantidas pela alta densidade verificada na região (em torno de 150g cm-3);
Como ocorre a produção de energia no núcleo????
O Sol produz sua energia a partir de reações termonucleares entre os átomos de hidrogênio presentes em seu núcleo.
⇩
Ocorre no núcleo
H
HH
H
PRODUÇÃO DE ENERGIA NO SOL
Temperatura crítica
H
H
H
H
HH
HH
HeHe
He
FUSÃO: 4H → 1He
Características: massa (4H) >>> massa (1He)
Equilíbrio → produz Energia ! →irradiada
2. SOL E SUA ESTRUTURA (continuação)
Na área acima do núcleo, chamada zona radiativa (entre 0,3 R e 0,7 R), a matéria é menos densa e menos quente (106 K). Porém, é suficiente para garantir o mecanismo de transferência de energia observado no núcleo;
Zona convectiva (cerca de 0,3 R), ainda menos densa, é caracterizado por ser uma região de intensa turbulência devido às correntes convectivas que alimentam esse estado de violenta agitação.
Fotosfera (T 5800 K 300 Km), esses movimentos turbulentos tendem a diminuir de intensidade devido à diminuição dos gradientes de temperatura.
2. SOL E SUA ESTRUTURA (continuação)
A última camada da estrutura solar, denominada
cromosfera, possui espessura de 2500 km e caracteriza-se por apresentar temperatura crescente e densidade decrescente com a altitude. Essa região só é visível por meio de instrumentos específicos e em casos de eclipses solares.
A coroa (T 1 milhão de K) onde estão as franjas de emissão.
O espectro eletromagnético
44% de toda essa energia emitida se concentra entre 400 e 700 nm (obs: 1 nm = 10-9 m), denominado espectro visível de energia.
O restante é dividido entre radiação ultravioleta (< 400nm) com 7%, infravermelho próximo (entre 700 e 1500nm) com 37% e infravermelho (> 1500nm) com 11%.
Menos de 1% da radiação emitida concentra-se acima da região do infravermelho, como seja, microondas e ondas de rádio, e abaixo da região ultravioleta, como raios X e raios .
O QUE O SOL EMITE ?
A TERRA E SUA ESTRUTURA
3. TERRA E SUA ESTRUTURA
mín. (periélio) 147,1 x 106 km média 149,6 x 106 km (1 U.A.) Distância do Sol
máx. (afélio) 152,1 x 106 km Velocidade orbital 29,8 km/s Idade cerca de 4,5 bilhões da anos
Total 510,3 milhões km2 Terras emersas 149,67 milhões km2 (29,3%) Área
Mares e oceanos 360,63 milhões km2 (70,7% ) Polar 12.713,5 km
Diâmetro Equatorial 12.756,3 km equador 40.075 km trópicos 36.784 km
círculos polares 15.992 km Circunferência
meridianos 40.003 km das águas ~ 1,6 x 109 km³
Volume do planeta 1,08 x 1021 km³
Tabela 1.1 – Dados sobre o planeta Terra
Terra é formada por 4 camadas: núcleo, manto, crosta e atmosfera
Núcleo: região interior da Terra com aproximadamente 2000 km de espessura, composta de ferro e níquel derretidos, e com um núcleo sólido, devido às altas pressões, com cerca de 1200 km. A temperatura nesta região varia de 2.200°C a 5.000°C e a densidade é cerca de 10 a 12 vezes a da água
A Terra
A Terra
Manto: camada pastosa abaixo da crosta. Tem aproximadamente 3000 km de espessura. Os elementos predominantes nesta região são: o silício, o alumínio, o ferro e o magnésio na forma líquida, uma vez que as temperaturas são bem altas, variando de cerca de 870°C junto à crosta até 2200°C junto ao núcleo. Os vulcões expelem material desta região do planeta, a qual também é responsável por fenômenos geológicos como a deriva dos continentes. A densidade média do manto é quatro vezes superior a da água.
A Terra
Crosta (ou litosfera): Camada superficial e sólida, constituída por rochas e mineirais, e que cuja espessura não ultrapassa 40 km. Dentre os elementos químicos predominantes, encontram-se o oxigênio (47%) e o silício (28%). Todas as formações orográficas fazem partes da crosta terrestre.
Atmosfera: Como esta parte do Planeta é de fundamental importância para a meteorologia, vamos discuti-la com mais profundidade na próxima seção
A ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUÍNTES
4. ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUINTES
Componente Símbolo Volume % (ar seco) Nitrogênio N2 78,08 Oxigênio O2 20,95 Argônioa, c Ar 0,93
Dióxido de carbono CO2 0,035 Neônioc Ne 0,018 Hélioa, c He 0,0005 Ozôniob O3 0,00006
Hidrogênio H2 0,00005 Criptônioc Kr 0,0011 Xenônioc Xe 0,00009 Metanod CH4 0,00017
Notas: a – produtos do decaimento radiativo do potássio e urânio b – recombinação do oxigênio c – gás inerte d – em superfície
+ 0,1 a 5% de H2Ov
ar seco
Esses gases concentram-se, em sua maior parte, nos níveis inferiores da camada atmosférica. Mesmo assim, essas proporções podem ser encontradas em altitudes superiores a 80 km
4. ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUINTES (continuação)
Concentrações Espécie química
mol/mol Outras unidades Monóxido de carbono (CO) (0,1-20)10-6 100 ppb - 20 ppm
Metano (CH4) 1,7210-6 1,72 ppm Ozônio (O3) (1-100)10-9 1-100 ppb
Óxido nítrico (NO) (0,005-1)10-9 5 ppt - 1ppb Dióxido de nitrogênio (NO2) (1-150)10-9 1-150 ppb
Óxido nitroso (N2O) 31010-9 310 ppb Amônia (NH3) (0-0,5)10-9 0-0,5 ppb
Dióxido de enxofre (SO2) (1-100)10-9 1-100 ppb CFCl3 (Freon 11) 0,210-9 200 ppt CF2Cl2 (Freon 12) 0,3510-9 350 ppt
Gases que alteram o balanço global e saldo de radiação e na termodinâmica da atmosfera
4. ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUINTES (continuação)
Variação da concentração de CO2 (em partes por milhão em volume de ar seco) observada a partir da década de 50 em Mauna Loa, Havaí. (Fonte: Rosenzweig e Hillel, 1998).
4. ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUINTES (continuação)
Gases importantes: Ozônio (O3) – concentrado majoritariamente entre 20 e 40 km
de altitude. É produzido por reações fotoquímicas do oxigênio e destruído por reações envolvendo compostos derivados óxidos de nitrogênio (NOx) e de cloro (Cl). Sendo que este último é produzido pelos clorofluorcarbonetos (CFCs), erupções vulcânicas e queima de vegetação.
Óxidos de nitrogênio (NOx) – Cerca de 40109 kg/ano de NOx são produzidos por mecanismos biológicos nos oceanos e no solo, combustão industrial, automóveis, aviões, queima de biomassa e resíduo de fertilizantes. Essas emissões cresceram cerca de 200% entre 1940 e 1980, devido à atividade humana. Cerca de 25% dessa massa total de NOx concentra-se na estratosfera, onde sofre dissociação fotoquímica
4. ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUINTES (continuação)
Derivados de enxofre – 90% originários da queima de carvão e petróleo. As maiores fontes são o dióxido de enxofre (SO2), sulfeto de hidrogênio (H2S) e dimetil sulfeto (DMS). O DMS é primariamente produzido por atividade biológica próxima à superfície oceânica. A atividade vulcânica libera aproximadamente 109 kg de enxofre por ano, na forma de SO2. Os elementos derivados de enxofre possuem vida curta (~24h), mas a conversão de H2S gasoso em partículas sólidas de enxofre é uma importante fonte de aerossóis atmosféricos. Além disso, esses compostos são responsáveis pela ocorrência de chuvas ácidas.
4. ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUINTES (continuação)
Clorofluorcarbonetos (CFCs: CFCl3 (F-11) e CF2Cl2 (F-12), principalmente) – são, produzidos por propelentes de aerossóis, refrigeradores (freon), aparelhos de ar-condicionado, etc. As moléculas de CFC dirigem-se lentamente para a estratosfera e, então, se movem em direção aos pólos onde são decompostas, por processos fotoquímicos, em cloretos. Mantém-se na atmosfera entre 65 e 130 anos;
Halocarbonos hidrogenados (HFCs e HCFCs) – também têm origem exclusivamente antropogênica. Esses compostos têm aumentado suas concentrações nas últimas décadas, já que foram apresentados como substitutos dos CFCs. O tricloroetano (C2H3Cl3), por exemplo, usado como agente limpador e desengordurante, possui vida útil de sete anos e só foi detectado na atmosfera a partir da década de 1980.
A estrutura da atmosfera
Troposfera, onde ocorrem os fenômenos meteorológicos e de grande turbulência. Nessa camada concentram-se 75% de toda massa de gases e, praticamente, todo o conteúdo de aerossóis e de vapor d’água. Devido à diminuição da densidade com a altura, a temperatura decresce permitindo que o ar expanda e se resfrie. Por outro lado, o aquecimento dessa camada se dá pela transferência de calor por turbulência a partir da superfície, e não por absorção da radiação.
O limite superior da troposfera é denominado tropopausa, detectada por uma inversão do perfil de temperatura. A tropopausa localiza-se em torno de 16km, nos trópicos, e 8km nos pólos.
A estrutura da atmosfera
A estratosfera é a 2a maior camada e se estende por cerca de 40km acima da tropopausa. Embora a estratosfera contenha a maior parte do ozônio atmosférico (com um pico em torno de 20 a 25km), o máximo de temperatura (~ 0°C) associado à absorção da R-UV ocorre na estratopausa. A densidade do ar diminui bastante na estratosfera e a temperatura aumenta razoavelmente com a altura, principalmente durante o verão, com o ar mais frio concentrando-se na tropopausa equatorial. As circulações na estratosfera estão relacionadas às variações de temperatura e mudanças de circulação da troposfera (extremamente complexas e pouco conhecidas)
A estrutura da atmosfera
Sobre a mesopausa, localiza-se a termosfera, que apresenta densidades ainda menores. Sua parte inferior é composta por N2, O2 e O, este último predominante acima do nível de 200 km.Como as densidades são baixíssimas, o livre caminho médio das moléculas é muito grande. Deste modo, são registradas temperaturas teóricas em torno de 800 a 1200 K nessa camada.
Na mesosfera a pressão decresce de 1mb, em 50 km de altitude, para 0,01 mb, em 90km de altitude. Essa camada é localizada numa região denominada média atmosfera, onde o oxigênio molecular e o ozônio contribuem para o aquecimento do topo da camada, mesopausa, em torno de 85km.