Hidrometeorologia. Hidrometeorologia. Aula 3 - Curso Técnico em Hidrologia (CTH) Prof. Fernando Mainardi Fan

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Hidrometeorologia

Prof. Fernando Mainardi Fan

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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

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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.

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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 6,5o_{C a cada}

quilômetro.

• Assim, se ao nível do mar a temperatura é de 20o_{C, no topo da troposfera a}

temperatura é de, aproximadamente, -45°C.

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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).

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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.

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Equação

          T T e_s 3 , 237 27 , 17 exp 611 e_s dado em pa pela fórmuala

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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.

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Umidade relativa

• onde UR é a umidade relativa;

• e é a pressão parcial de vapor no ar

• e_s é pressão de saturação. s

e

100 UR





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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.

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Temperatura de ponto de orvalho

e umidade relativa

s

e

100 UR





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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:

 

e e T_d ln 00421 , 0 0708 , 0 4926 , 0 ln    

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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

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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.

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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.

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Constante Solar

Na posição da Terra isto significa

~1366 W/m2

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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!

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Órbita da Terra

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

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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)       _    J 365 2 cos 033 , 0 1 d_r 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 0 100 200 300 400 C o rr e çã o d a C o n sta n te So la r Dia Juliano

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Fator de excentricidade

0.96 0.97 0.98 0.99 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Cor reç ão da Const an te Solar Dia Juliano        _    J 365 2 cos 033 , 0 1 d_r Dia Juliano 3 de Janeiro: J=3 1 de Fevereiro: J=32 31 de Dezembro: J=365

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Fluxo da energia na atmosfera

Espaço

Atmosfera

Superfície (Terra + Oceanos)

Rad ia ç ã o S o lar in c ide n te 6 refle tida pelo ar 20 refle tida pe las nuve ns refl etida pe la su pe rfície 4 Absorvida na superfície 51 3 Absorvida pelas nuvens Absorvida pelo ar e poeira 16 ondas curtas 21 15 Emitida pela superfície 6 38 26 ondas longas Absorvida pelo vapor de H2O e CO2 Fluxo de calor sensível 7 23 Fluxo de calor latente Emitida pelas nuvens Emitida pelo vapor de H2O e CO2 100

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Balanço de energia da Terra

5 10 15 20 25 F lux o de ene rg ia Comprimento de onda (m) chegando saindo

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Obstáculos para a radiação que

deixa a Terra

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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 kilowattsper 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

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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

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Radiação que atingiria a superficie na

ausência da atmosfera

 _s _s 

r SC

TOP G d sen sen sen

S                  24 60 cos cos 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 ...

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Radiação solar ao longo do ano em diferentes latitudes (caso não existisse a atmosfera)

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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)}

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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?

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Máximo número de horas de sol

s 24

N 



 Onde s é o ângulo do sol ao nascer, que pode ser calculado por:



  





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Relação radiação em Bento Gonçalves RS

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

atmosfera _ topo _ radição erfície sup _ radiação

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Exemplo efeito nuvens

• Carolina (Maranhão) • Latitude 7o _20’

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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.

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H _E R_n

G S

A_o A_i

Balanço de energia na superfície

radiação líquida (Rn ou R_L) fluxo de calor sensível (H) fluxo de calor latente (E)

fluxo de calor para o solo (G)

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Radiação de onda curta

S_SUP S_TOP

Topo da atmosfera

Radiação recebida no topo da atmosfera

Radiação que chega à superfície Radiação refletida

a.S_SUP

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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

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Radiação de onda longa

Topo da atmosfera

Radiação de onda longa emitida para a superficie

Radiação de onda longa emitida pela superfície

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H _E R_n

G S

A_o A_i

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).

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H _E R_n

G S

A_o 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.

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Latente x sensível

• Umidade do solo – existe água disponível para evaporar?

• Umidade do ar – o ar é capaz de receber umidade adicional?

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Fluxo de energia por advecção

H _E R_n G S A_o A_i

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Fluxos de energia na superfície

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Circulação geral do ar na atmosfera

• Como resultado do

aquecimento desigual, o ar fica mais aquecido em regiões próximas ao Equador.

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Circulação geral do ar na atmosfera

• Ar quente fica menos

denso e tende a

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Circulação idealizada da atmosfera se a Terra não girasse e fosse homogênea:

Maior aquecimento Solar

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Observar:

•Ventos alísios

•Zonas de baixa pressão •Zonas de alta pressão •Regiões chuvosas

•Regiões secas

Circulação idealizada considerando a rotação da Terra

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http://earth.nullschool.net/

Acompanhe a circulação do ar atmosférico nos dias atuais e previsão de alguns dias Vento e Água precipitável

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Zona de Convergência Intertropical (ZCIT)

Alísios hemisfério Norte

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Evaporação e evapotranspiração de

acordo com a latitude

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Zona de convergência inter tropical

(ZCIT)

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(71)

ZCIT

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Mais complexidade:

correntes de jato

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circulação idealizada circulação real

Efeito dos continentes e outros

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Zonas de pressão Ventos na superfície ZCIT

Janeiro

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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

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• Water Vapor Circulation on Earth

• http://www.youtube.com/watch?v=qh011eAYjAA

• http://www.youtube.com/watch?v=b2jEcBqKdbQ

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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.