ACAACA--115 115 IntroduIntroduo a Cincias Atmosfo a Cincias Atmosfricasricas

Os Movimentos da Atmosfera

Aula 2

Contedo1. Escala dos movimentos atmosfricos

e principais foras2. Equilbrio hidrosttico e geostrfico3. Divergncia e convergncia4. Circulao geral da atmosfera5. Circulaes locais6.Turbulncia atmosfrica

TIPOS DE "BALANOS" ENTRE AS FORAS

Como ocorre o balano de foras nos movimentos atmosfricos ?

Na realidade, essas foras normalmente se combinam e determinam a velocidade e a direo dos ventos. A resultante dessas foras algumas vezes nula e produzem um estado de equilbrio ou balano.

Da Primeira Lei de Newton, quando as foras atuantes sobre uma parcela de ar esto em equilbrio, no h uma "fora lquida ou fora resultante.

Portanto, a parcela de ar permanece estacionria (se estiver parada) ou continua se movendo em linha reta com velocidade constante (acelerao nula )

A seguir, analisa-se como as foras interagem na atmosfera de modo a controlar os movimentos verticais e horizontais do ar.

EQUILBRIO HIDROSTTICO

EQUILBRIO HIDROSTTICO

Equilbrio Hidrosttico representa o balanoentre a fora do gradiente vertical de presso e a fora de gravidade

Esse estado de equilbrio um dos mais constantes na atmosfera e acontece em todas as escalas de movimento atmosfrico, exceto em pequenas escalas com grande acelerao vertical (< 10 km).

Deve-se novamente ressaltar que o equilbrio hidrosttico no impede o movimento vertical, mas sim apenas sua modificao (acelerao nula).

Presso P(z) o peso (Fora) da atmosfera acima de z por unidade de rea:

P(z) = Massa x g / rea

Massa = Densidade x Volume

Volume = rea x z Massa = x rea x z

Logo, P(z) = x rea x z x g /rea

P(z) = x z x g

Z

Ptopo

Pbaixo

Pela lei dos gases a densidade do ar

(z) = P(z)/RTLogo, como P diminui com z, a tambm diminui o ar um fluido compressvel

A atmosfera no fica achatada porque a presso esta em balano com o peso.

Z

Ptopo

Pbaixo

Fazendo este balano, temos

gZ = Ptopo Pbaixo = - P

ou P/Z = - g

A taxa de diminuio da presso com a altitude depende da densidade.

Z

Ptopo

Pbaixo

Superfcie

Alta atmosfera

Como a presso atmosfrica varia com a altura, pode-se calcular a presso em um determinado nvel supondocertas condies de equilbrio.

Por exemplo, em um balano hidrosttico e para um gs ideal, implica que a dependncia da presso (densidade) com a altura EXPONENCIAL:

P/z = - g(z) = P(z)/RT

P/z = -Pg/RTou

P/P = -g/RT Z

Pode-se integrar da superfcie at um dado nvel z

= Z0

P1

P0Z

RTg

PP

Onde, e a base do logaritmo natural = 2.718

P0 = P na superfcie

g = 9.8 m s-2

R = constante dos gases287 J/kgK

T = Temperatura da camadaem Kelvin

z = altitude em metros

RTgZ

ePP= 0

1 Joule = kg m2 s-2 = N m

RTgZ

ePP= 0

Exemplo:

T=280. KPo = 1000 mbz = 1000 mP = 885.192 mb

e paraZ = 5500 mP = 511.334 mb

Equador: T ~ 300 K Polo: T ~ 250 K

Exemplo em Classe:

Calcule a presso no equador e no polo para z = 5 e 10 km.

Exerccio (Entrega: 16 de Maio, 2006)

Calcule a altura da atmosfera nos nveis de presso de 850, 700, 500, 100 e 10 mb, em dois pontos a onde a temperatura mdia da camada de 273 K e 210 K. Suponha que haja balano hidrosttico na atmosfera e a considere um gs ideal. Po=1000 mb

BALANO GEOSTRFICO

BALANO GEOSTRFICO o balano entreas foras do gradiente horizontal de presso(FGHP) e a fora de Coriolis (FC).

Este balano ocorre nos movimentos horizontais de grande escala acima da camada turbulenta (> 1 km).

Como funciona este balano? Supondo que em um instante inicial, uma parcela em repouso sofre a ao da FGHP.

PP - 1 P - 2P - 3P - 4

Baixa Presso

Alta Presso

FHGP

A partir do momento que parcela de ar comea a se movimentar, ela sofre o efeito da FC.

PP - 1 P - 2P - 3P - 4

Baixa Presso

Alta Presso

FHGP

Vento

FC

A FC faz com que a parcela de ar se desvie na direo da dessa fora.

O aumento da FGHP acelera a parcela e,consequentemente a FC ir aumentar.

No Hemisfrio Norte, a parcela de ar desvia para a direita do movimento

Vento

FC

No Hemisfrio Sul, a parcela desviada para a esquerda do movimento.

FC

Vento

HS: < 0

VgsenFC = 2

HN: > 0

Unidades de converso para a velocidade do vento

Multiplicar a unidade pelo fator abaixo para obter:

unidade m s-1 n km h-1 p s-1 mi h-1

m s-1 1,0000 1,9438 3,6000 3,2808 2,2369

n 0,5144 1,0000 1,8520 1,6878 1,1508

km h-1 0,2778 0,5400 1,0000 0,9113 0,6214

p s-1 0,3048 0,5925 1,0973 1,0000 0,6818

mi h-1 0,4470 0,8690 1,6093 1,4667 1,0000

PP - 1 P - 2P - 3P - 4

FHGP

Vg VentoGeostroficoFC

Parcela emRepouso

A modificao na direo do movimento faz com que a FC se oponha FGHP, at que a parcela adquira uma direo de deslocamento paralela s isbaras.

Nesse instante FGHP e a FC tem a mesma intensidade, porm sentidos opostos, atingindo o BALANO GEOSTRFICO.

Esse vento que flui paralelo s isbaras, com a regio de alta presso sua direita e de baixa presso esquerda (Hemisfrio Norte), chamado de vento geostrfico.

No Hemisfrio Sul, o vento geostrfico flui tambm paralelo s isbaras, porm com a regio de alta presso esquerda da direo do movimento e a rea de baixa presso direita.

Nos exemplos anteriores sups-se que as isbaras eram linhas retas. Na atmosfera real essas linhas costumam ser curvas e, s vezes at se "fecham", formando centros de alta ou baixa presso.

Hemisfrio Norte

Hemisfrio Sul

Em meteorologia, os centros de baixa presso so chamados de ciclones, e os de alta presso de anticiclones.

Devido ao balano (quase) geostrfico, os ventos tm um giro horrio (visto "de cima") ao redor dos anticiclones no Hemisfrio Norte, e um giro anti-horrio ao redor dos ciclones. No Hemisfrio Sul esses giros so ao contrrio.

NH NS

O balano geostrfico ocorre somente na atmosfera na ausncia de atrito, acima da camada turbulenta (Camada Limite Planetria).

Mas, como seria modificado o balano geostrfico, na presena de uma terceira fora representada pelo atrito?

Escoamento ao redor de Alta e Baixa presso no HN na ausncia de atrito.

Mas, como seria modificado o balano geostrfico, na presena de uma terceira fora representada pelo atrito?

A fora de frico diminui a velocidade do vento e altera a direo do vento.

Com a diminuio da velocidade, diminui tambm a fora de Coriolis. Como a FGHP no depende da velocidade, ela se mantm a mesma, provocando ento um desequilbrio entre essas duas foras.

Dessa maneira, este efeito faz com o vento que flua paralelo s isbaras cruze as linhas de presso constante (isbaras) da regio de alta presso para a regio de baixa presso.

Hemisfrio Norte

Hemisfrio SUL

A rugosidade do terreno que determina o decrscimo no mdulo da velocidade e o ngulo entre as isbaras e a direo do vento.

Sobre a superfcie do oceano calmo, a rugosidade baixa e o ar se move em um ngulo de 10 a 20 graus em relao s isbaras, e a uma velocidade de cerca de 1/3 da velocidade geostrfica.

Sobre um terreno rugoso, onde a frico alta, esse ngulo pode ser at de 45 graus, com a velocidade reduzida em at 50%.

PP - 2

P - 4

Baixa Presso

Alta PressoFAtrito

FC

FHGP FHGP

FC

A Figura 10 ilustra o comportamento dos escoamentos ciclnicos e anticiclnicos na camada limite planetria. Mudando a direo do vento, a frico exerce um importante papel na redistribuio do ar na atmosfera, principalmente quando consideramos o movimento do ar ao redor dos centros de baixa e alta presso na superfcie, isto , nos ciclones e anticiclones.

Considerando-se primeiro o caso do escoamento em um ciclone, onde o ar flui para o centro de baixa presso, num processo que em meteorologia denominado de CONVERGNCIA

Quando o ar converge horizontalmente, existe um acmulo de massa na regio central, o que deve aumentar a presso e portanto enfraquecer o ciclone.

de se esperar que, para o ciclone continuar existindo como tal, por um certo tempo, deva existir uma compensao para esse acmulo de massa. Essa compensao se d na forma de um movimento ascendente do ar na regio central do ciclone, e uma posterior DIVERGNCIA em nveis superiores.

As figuras abaixo ilustram a relao entre a convergncia (afluxo de ar) na superfcie e a divergncia (efluxo de ar) em nveis superiores, que necessria para manter um centro de baixa presso. A velocidade vertical nessas regies bastante baixa (da ordem de poucos cm/seg), se comparada com as velocidades horizontais do vento. Porm, como o ar que converge prximo superfcie possui vapor d'gua, essa ascenso suficiente para provocar a formao de nuvens e de precipitao.

No caso dos anticiclones a situao exatamente a oposta da exposta acima. A divergncia a partir do centro do anticiclone compensada com um movimento descendente do ar na coluna, que por sua vez gera uma convergncia em nveis superiores. O movimento descendente do ar sobre o anticiclone inibe a formao de nuvens nessa regio.

INTENSIDADE DO VENTO GEOSTRFICO

O equilbrio geostrfico o equilbrio entre a fora de Coriolis (FC) e a FGHP.

Matematicamente:

dPFGHP =

1

Onde, onde P a variao de presso, a densidade do ar e d a distncia.

A fora de Coriolis,

onde, a taxa de rotao da Terra, Vg o vento geostrfico e a latitude do local.

senVFC g= 2

O parmetro de Coriolis (f):

Desta forma, sendo FGHP=FC,

Resolvendo para Vg tem-se:

Portanto, em uma dada latitude a intensidade do vento geostrfico ser determinada pelo gradiente horizontal de presso (P/d).

senf = 2

senVdP

g= 21

sendPVg

=2

11

As foras discutidas hoje esto presentes na circulao atmosfrica em todas as escalas.

Essas foras so mais ou menos importantes de acordo com a escala do movimento.

Em primeira aproximao, as foras de menor importncia podem ser desprezadas, o que facilita a anlise do problema.

Existe uma grande inter-dependncia entre as diversas escalas de movimento.

Os fenmenos de escala sintica, que afetam o tempo, no dia a dia, se inserem numa circulao de escala maior, chamada CIRCULAO GERAL (ou GLOBAL) DA ATMOSFERA.