introdução as ciências atmosféricas
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ACAACA--115 115 IntroduIntroduo a Cincias Atmosfo a Cincias Atmosfricasricas
Os Movimentos da Atmosfera
Aula 2
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Contedo1. Escala dos movimentos atmosfricos
e principais foras2. Equilbrio hidrosttico e geostrfico3. Divergncia e convergncia4. Circulao geral da atmosfera5. Circulaes locais6.Turbulncia atmosfrica
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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.
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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.
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EQUILBRIO HIDROSTTICO
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EQUILBRIO HIDROSTTICO
Equilbrio Hidrosttico representa o balanoentre a fora do gradiente vertical de presso e a fora de gravidade
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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).
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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
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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
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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
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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:
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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
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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
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RTgZ
ePP= 0
Exemplo:
T=280. KPo = 1000 mbz = 1000 mP = 885.192 mb
e paraZ = 5500 mP = 511.334 mb
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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.
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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
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BALANO GEOSTRFICO
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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).
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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
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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
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A FC faz com que a parcela de ar se desvie na direo da dessa fora.
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O aumento da FGHP acelera a parcela e,consequentemente a FC ir aumentar.
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No Hemisfrio Norte, a parcela de ar desvia para a direita do movimento
Vento
FC
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No Hemisfrio Sul, a parcela desviada para a esquerda do movimento.
FC
Vento
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HS: < 0
VgsenFC = 2
HN: > 0
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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
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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.
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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.
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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
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Hemisfrio Sul
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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
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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?
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Escoamento ao redor de Alta e Baixa presso no HN na ausncia de atrito.
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Mas, como seria modificado o balano geostrfico, na presena de uma terceira fora representada pelo atrito?
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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.
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Hemisfrio Norte
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Hemisfrio SUL
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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%.
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PP - 2
P - 4
Baixa Presso
Alta PressoFAtrito
FC
FHGP FHGP
FC
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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