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

neiro

Fe

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arço

abril

mai

o

junh

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julh

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AN

O

Te

mp

era

tura

mé

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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Feve

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mar

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julh

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cip

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o (

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.