profa. renata medici conceitos bÁsicos de meteorologia
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Profa. Renata Medici
CONCEITOS BÁSICOS DE METEOROLOGIA
O que acontece com a concentração de uma substância na atmosfera ao ser emitida?
R: A concentração varia com o tempo e com o espaço.
Variação no tempo
Fonte: Souza (2006): Modelagem do transporte de SO2 gerado em plataformas de produção da Bacia de Campos - RJ no período de inverno através do modelo OCD
Variação no espaço
Por quê? TRANSFORMAÇÃO:
reações químicas e/ou fotoquímica
DISPERSÃO
DEPOSIÇÃO
Fatores que afetam a dispersão
TOPOGRAFIAPlanaltos, vales,
encostas
CARACTERÍSTICAS DA FONTE EMISSORA
- Altura física e efetiva da fonte emissora- Diâmetro da fonte emissora
CARACTERÍSTICAS DO POLUENTE
Taxa de emissão, temperatura, velocidade
CONDIÇÕES METEOROLÓGICASTemperatura, velocidade e direção dos ventos, estabilidade da atmosférica
METEOROLOGIA – CONCEITOS BÁSICOS
TEMPO X CLIMA
Estado físico das condições atmosféricas de terminado lugar em dado momento
Descreve a sucessão dos estados de tempo de uma determinada região, isto é um conjunto de fenômenos meteorológicos.
Deve-se ressaltar que, mesmo mantendo a emissão de poluentes constante, a qualidade do ar pode piorar ou melhorar, dependendo das condições meteorológicas (tempo) estarem desfavoráveis ou favoráveis à dispersão de poluentes.
METEOROLOGIA – CONCEITOS BÁSICOS
Vento - Ar atmosférico em movimentoO fluxo geral do ar sobre a terra é induzido por variações de pressão de grande escala comumente apresentados
nas cartas meteorológicas
Os ventos sempre sopram das áreas de alta pressão para as áreas de baixa pressão
A intensidade destes sistemas de pressão e seu posicionamento normal ou trajetórias determinam a
distribuição dos ventos em uma dada área.
DIREÇÃO PREDOMINANTE DO VENTO – ROSA DOS VENTOS
Fonte: Lisboa (2007):Meteorologia e dispersão atmosférica
VELOCIDADE DOS VENTOS
Fonte: Lisboa (2007):Meteorologia e dispersão atmosférica
A velocidade do vento aumenta exponencialmente com a altura em função da redução do atrito conforme o fluxo de ar se distancia da superfície.
A variação da componente horizontal da velocidade do vento e da direção com a altitude é importante na avaliação da difusão dos gases de chaminés
Fonte: Lisboa (2007):Meteorologia e dispersão atmosférica
A certa altura acima do solo (geralmente 500-750 m) o fluxo de ar é quase paralelo as linhas de mesma pressão e a velocidade é prescrita pelo gradiente horizontal de pressão.
Próximo do solo os efeitos do atrito retardam o fluxo do ar bem como causam mudança na direção. O perfil vertical da velocidade do vento é afetado pelas mudanças na cobertura do solo e pela estabilidade térmica da atmosfera.
Fonte: Lisboa (2007):Meteorologia e dispersão atmosférica
A certa altura acima do solo (geralmente 500-750 m) o fluxo de ar é quase paralelo as linhas de mesma pressão e a velocidade é prescrita pelo gradiente horizontal de pressão.
Próximo do solo os efeitos do atrito retardam o fluxo do ar bem como causam mudança na direção. O perfil vertical da velocidade do vento é afetado pelas mudanças na cobertura do solo e pela estabilidade térmica da atmosfera.
METEOROLOGIA – CONCEITOS BÁSICOS
Temperatura - Quantidade de calor que o ar contém.
Pressão atmosférica - é o peso que o ar exerce sobre a superfície terrestre
O que exerce maior pressão, o volume de ar seco ou de ar úmido?
Vapor d’água pesa menos que o volume de ar seco, portanto, quanto mais úmido for, menor será a pressão atmosférica
Lembrar que: (MMH2O – 18 g.mol -1; MM O2 – 32 g.mol -1 ; MM N2 28 g.mol -1)
TEMPERATURA NA ATMOSFERA
A variação vertical de temperatura é muito mais significativa que a variação horizontal.
O estudo dos gradientes verticais de temperatura apresenta grande interesse, pois eles condicionam a possibilidade de ocorrência e o sentido dos movimentos verticais de ar na atmosfera.
Quando o ar experimenta um processo de ascensão ou de descenso, sua temperatura é determinada pelo gradiente adiabático.
TEMPERATURA NA ATMOSFERA
A variação vertical de temperatura é muito mais significativa que a variação horizontal.
O estudo dos gradientes verticais de temperatura apresenta grande interesse, pois eles condicionam a possibilidade de ocorrência e o sentido dos movimentos verticais de ar na atmosfera.
Quando o ar experimenta um processo de ascensão ou de descenso, sua temperatura é determinada pelo gradiente adiabático.
Transformações Adiabáticas
Um gás (ou vapor) realiza uma transformação adiabática quando a passagem do estado inicial ao final é determinada apenas pela criação de sua energia interna, sem receber ou ceder calor. (não há troca de energia por calor entre o sistema e a vizinhança)
Seja um gás contido num cilindro com paredes impermeáveis ao calor. Se a expansão fizer adiabaticamente, a energia necessária para executar este trabalho é extraída do próprio gás e ele se resfria. Ex. Lata de spray
Se, pelo contrário, ele for comprimido adiabaticamente sua temperatura aumenta, pois o trabalho de compressão converter-se-á em calor.
Gradiente vertical da adiabádica secaÉ o fenômeno da expansão ou compressão do ar seco ou úmido sem a troca de calor com o meio.
Imagine um pequeno volume de ar a determinada altura. Se ele for deslocado para cima, o que acontecerá?
Ele encontra baixa pressão, se expande e resfria.
Gradiente vertical da adiabádica seca
Se for assumido que não exista troca de calor entre o meio e o pequeno volume, pode-se definir a taxa na qual o resfriamento ocorre durante a ascensão como gradiente vertical da adiabática seca ou “gradiente adiabático seco”ou ainda Lapse Rate
Se o processo for adiabático a variação de temperatura será de 1 oC/100 m ou
Gradiente vertical da adiabádica seca
Na realidade, este processo nunca ocorre na atmosfera, uma vez que a turbulência tende a destruir o volume teoricamente isolado e ocorre a troca de calor, porém, o conceito tem valor considerável como referência para se estimar as características turbulentas na atmosfera real.
Movimento vertical das massas de ar
Gradiente vertical de temperatua ou gradiente térmico vertical
É a distribuição atual da temperatura na vertical.
Consiste no decréscimo da temperatura com a altura que tem lugar dentro de uma atmosfera em repouso.
Raramente ela se aproxima do gradiente adiabático nos primeiros 100m acima do solo para qualquer período de tempo.
mCXzT o 100/
Movimento vertical
1. O processo de mistura vertical na atmosfera é, de forma simplificada, assumido como envolvendo um sem número de parcelas de ar ascendendo e descendo.
2. Não havendo troca de calor entre as fronteiras do sistema a parcela e seu ambiente imediato podem estar em temperaturas diferentes na mesma pressão. Este fato governa o seu movimento vertical.
3. A variação da temperatura ao longo da altura para uma parcela ascendente de ar seco que se resfria adiabaticamente é utilizada como um perfil padrão de temperaturas para comparação com as situações reais.
Estabilidade ou instabilidade da atmosfera
ESTABILIDADE OU INSTABILIDADE DA ATMOSFERA
Em termos simples, a estabilidade da atmosfera é a sua tendência a resistir ou intensificar o movimento vertical, ou alternativamente suprimir ou aumentar a turbulência existente.
Ele é função da relação entre o gradiente de temperatura do perfil vertical ambiental (gradiente térmico vertical) e o gradiente adiabático.
Na baixa atmosfera o grau de turbulência dependerá também:
Gradiente vertical de temperatura
rugosidade do terreno,
velocidade do vento
Importante
A camada mais baixa da atmosfera onde ocorrem os fenômenos de poluição do ar é denominada camada limítrofe.
A camada limítrofe é definida por Zannetti (1990) como a "região na qual a atmosfera sofre os efeitos oriundos da superfície através de trocas verticais de momento, calor e mistura de massas de ar"
ESTABILIDADE OU INSTABILIDADE DA ATMOSFERA – GRADIENTE VERTICAL E GADIENTE ADIABÁTICO
Imagine uma massa de ar em movimento ascendente esfriando de forma adiabática e a sua atmosfera
circunvizinha, pode acontecer três situações:
ESTABILIDADE DO AR SECO (OU ÚMIDO):
Uma camada de ar não saturado é estável quando seu gradiente térmico vertical é inferior ao gradiente da adiabática seca
INSTABILIDADE DO AR SECO (OU ÚMIDO):
Uma camada de ar não saturado é instável sempre que o gradiente térmico vertical for maior que o gradiente do Lapse Rat
Quando o decréscimo da temperatura vertical é muito próximo do gradiente adiabático seco, diz-se que a atmosfera é indiferente ou neutra.
Qualquer que seja a posição de uma partícula deslocada dentro da massa de ar, ela estará a mesma temperatura que a atmosfera circunvizinha, portanto, a mesma densidade.
A turbulência e a dispersão são, portanto, normais. Uma partícula liberada na atmosfera não possui nenhuma tendência a continuar seu movimento
ESTABILIDADE DO AR SATURADO:
Gradiente vertical da adiabática saturada - É o processo de expansão do ar saturado. Para uma pressão de 1000 milibares e temperatura de 10ºC o gradiente da adiabática saturada é de 0,60 ºC /100 m.
ESTABILIDADE DO AR SATURADO:
Uma camada de ar saturado é sempre estável quando seu gradiente térmico vertical é inferior ao gradiente da adiabática saturada.
Se o gradiente térmico vertical da camada de ar saturado for maior do que o gradiente da adiabática saturada, a atmosfera poderá estar em condições de instabilidade
INVERSÃO TÉRMICA:
Imagine o movimento vertical do ar na atmosfera como acontece:
1. O ar mais próximo da superfície terrestre é aquecido por esta
2. O ar se expande e torna-se menos denso que o ar mais frio que está acima.
3. O ar aquecido e menos denso acende através do ar mais frio, que o renova.
4. Este ar novo também se aquece em contato com o solo, expande e acende. Deste modo criam as correntes de ar.
PERFIL NORMAL DA TEMPERATURA NA TROPOSFERA
Fonte: Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão
INVERSÃO TÉRMICA:
Agora imagine se, devido às condições meteorológicas houver uma inversão no esquema normal de variação da temperatura na troposfera resultando na formação de uma “capa de inversão”.
O efeito resultante é a colocação de uma massa de ar frio por baixo de outra de ar mais quente.
Perfil Temperatura troposfera em situação de inversão térmicaFonte: Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão
INVERSÃO TÉRMICA - CONSEQUENCIAS
1. Diminuição ou impedimento da circulação atmosférica vertical.
2. Os contaminantes lançados no ar são confinados na capa inferior da inversão.
Inversão térmica em São Paulo
Fonte: Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão
Situação comum no inverno
Maior concentração de poluentes, logo maior atividade fotoquímica, logo maior temperatura na camada.
E SE COM O AUMENTO DA ALTITUDE NÃO HOUVER VARIAÇÃO NA TEMPERATURA?
Perfil Isotérmico: Neste caso, como no caso subadiabático existe uma pequena tendência para um volume resistir ao movimento vertical – Estabilidade
RESUMINDO – GRADIENTES TÉRMICOS DE TEMPERATURA
Fonte: Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão
Vamos praticar!
Dado o perfil de temperaturas obtido num determinado aeroporto do Brasil
i. identifique a estabilidade das diferentes camadas (estável, instável, neutra, isotérmica ou inversão).
ii. Qual é a camada superadiabática e qual a subadiabática?
Altura (m) Nível do solo 100 150 350 950 1200 1300 1600
Temperatura(oC) 20 15 18 16 13 13 1 11
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Variação da Temperatura vertical Variação temperatua adiabática
Temperatura (oC)
Altu
ra(m
)Plotagem dos dados – Resultado
Vamos praticar!
Dados os quatro perfis de temperatura abaixo, identifique qual o que seria mais desfavorável para qualidade do ar, supondo uma região urbana no mês julho, e qual o perfil que seria mais favorável.
Lembrar que
i. A estabilidade atmosférica não é somente resultado do gradiente de variação térmica da atmosfera e que outros fatores também colaboram;
ii. Não há na literatura um consenso geral sobre a turbulência na atmosfera
iii. com isso, há diferentes categorias de estabilidade para diferentes autores:
Lembrar queCaracterísticas das condições atmosféricas para Turner (1994)
TURNER, D. Bruce. Workbook of atmospheric dispersion estimates New York: Lewis, 2nd ed., 182 p.,1994 apud Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão
Características das condições atmosféricas para Pasquill - Gifford (1994)
Pasquill - Gifford (1994) apud Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão
Notas: 1. Forte insolação corresponde a um ângulo de elevação solar acima do horizonte, de 60º ou mais. Fraca insolação corresponde a um ângulo de elevação solar acima do horizonte, entre 15º e 35 º.Ver também Quadro 8. 10. 2. Poluentes emitidos em noites sem nuvens com menos de 2,0 metros por segundo.