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Universidade Federal Fluminense
Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente
Introdução a Meteorologia e a Climatologia
Prof. Marcio Cataldi
Aula 1
Programa:
• História das ciências atmosféricas;
• Aspectos astronômicos e geográficos do Clima;
• Elementos do sistema climático;
• Circulação geral da atmosfera;
• Escalas espaciais e temporais da dinâmica atmosférica;
• Introdução ao escoamento geofísico e suas principais simplificações;
• Classificação climática: abordagem estática x abordagem dinâmica;
• Métodos de estimativa e medição de grandezas meteorológicas;
• Modelagem numérica do tempo e do clima;
• Tempo, Clima e Meio Ambiente: poluição atmosférica, biometeorologia, conforto térmico de edificações, eventos extremos, geração de energia, agrometeorologia e mudanças climáticas.
Abordagens
• Aplicação do conhecimento do tempo e do clima em situações que envolvam o meio ambiente, como em Estudos de Impactos Ambientais (EIA) e Relatórios de Impactos Ambientais (RIMA), Licenciamentos, etc;
• Linhas de Pesquisa envolvendo o Tempo, o Clima e Meio Ambiente.
Avaliação
• Duas provas de conhecimento específico, discursivas, com peso 3.
• Um trabalho com peso 2.
Bibliografia Básica
• Oliveria, L. L., Vianello, R. L. e Ferreira, N. J. Meteorologia Fundamental. 2001. Edifapes
• Varejão-Silva, M. A. Meteorologia e Climatologia. 2005. Versão Digital.
• Peixoto, J. P. e Oort, A.H. Phisics of Climate. 1991.
O termo mteorologia surgiu quando o filósofo grego Aristóteles, em torno de 340 a.C., à sua maneira filosófica e especulativa, escreveu um livro sobre filosofia natural denominado Meteorológica, falando sobre o tempo, o clima, sobre astronomia, geografia e química. Falava de nuvens, chuva, neve, vento, granizo, trovões e furacões. Naqueles dias, tudo o que caia do céu e qualquer coisa vista no ar era chamada de meteoro, daí o nome meteorologia.
As idéias de Aristóteles se mantiveram aceitas por quase dois mil anos. De fato, o nascimento da meteorologia como uma ciência natural genuína não aconteceu até a invenção dos instrumentos meteorológicos (os termômetros, no fim do século XIV, o barômetro, para medir pressão atmosférica, em 1643, e o higrômetro, para medidas de umidade, no final do século XVIII).
A invenção do telégrafo, em 1843, permitiu a transmissão das observações rotineiras do tempo.
Histórico das ciências Atmosféricas
Pierre Simon Laplace (1812) – “...conhecendo-se as massas, a posição e a velocidades de todas as partículas em um intervalo de tempo singular, é possível se calcular com precisão os os seus eventos passados e futuros...”;
Vilhelm Bjerknes (1904) - Desenvolveu os princípios matemáticos básicos para resolver as equações governantes de fluxo da Atmosfera e do Oceano;
Lewis Fry Richardson (1922) - Utilizando as equações básicas de movimento na atmosfera desenvolveu o primeiro sistema de previsão do tempo, utilizando uma máquina de calcular;
Carl Gustav Rossby (1930) – Utilizou o caráter ondulatório da circulação geral da atmosfera para criar uma simplificação das equações do modelo de circulação da atmosfera;
Histórico das ciências Atmosféricas
Jule Charney (1950) – Liderou um grupo de pesquisadores a realizar prognósticos de tempo no ENIAC/Universidade de Princeton, utilizando as equações de Rossby;
Norman Phillips (1956) – Adicionou uma “forçante” nos termos da equações de Rossby, observando variações nos padrões da circulação geral da atmosfera – Início dos modelos de circulação geral da atmosfera;
Modelos Oceânicos de larga escala só tiveram início na década de 60;
Criação do Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) sob a direção de Joseph Smagorinsky.
Início da modelagem numérica do tempo no Brasil através do CPTEC/INPE
Principais centros de pesquisa – NASA/DAO, GFDL/NOAA, IRI, NCAR
Histórico das ciências Atmosféricas
O tempo pode ser definido como o estado da atmosfera em um determinado local e espaço de tempo, descrevendo os termos da variação de temperatura, nebulosidade, precipitação e vento;
O clima é definido como as condições do tempo sobre uma área média em um período de tempo específico. A está relacionado com as variações atmosféricas em relação ao seu estado “médio”.
A variabilidade natural média das condições de tempo em uma determinada região é que vão compor o clima dessa região.
É importante portanto conhecer as escalas e os diferentes mecanismos determinam essa variabilidade.
Tempo e Clima
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – O SOL
Temperatura na Coroa ≈ 2x106 K
O Sol é uma esfera de gases incandescentes, composta principalmente por átomos de hidrogênio e hélio. A energia cinética destes corresponde a milhões de graus no centro da estrela, e vai diminuindo até uma superfície mais ou menos definida (fotosfera)
A fonte de energia de nosso sistema climático é o Sol, que oferece radiação incidente no topo da atmosfera, considerando a geometria esférica da Terra;
A energia solar se manifesta na forma de energia ou radiação eletromagnética, a qual é convertida em calor, energia potencial e energia cinética na Terra;
A energia solar pode ser apenas convertida, nunca pode ser destruída. Este é o princípio fundamental da conservação de energia;
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima
Características físicas
-Luminosidade:
“Quantidade de energia irradiada por segundo, pelo Sol, em todas as direções”
-Constante Solar:
“É a quantidade de energia solar que alcança uma área de 1 m2 no topo da atmosfera da Terra, em um segundo.” Valor ≈ 1.400 W/m2/s
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima
Manchas solares
Campos magnéticos até 1000 vezes mais intensos do que o das vizinhanças
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima
Manchas solares
Período de 11 anos => Número de Manchas
Período de 22 anos => Variação de Latitude
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima
Estações do Ano – Translação e Rotação
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima
A posição mais próxima ao Sol, o perihélio (147 x 106 km), é atingido aproximadamente em 3 de janeiro e o ponto mais distante, o afélio (152 x106 km), em aproximadamente 4 de julho. A variação da radiação solar recebida devido à variação da distância é pequena ~ 6,7%;
O fator determinante para que existam as estações do ano é o ângulo de 23.27o do eixo de rotação da Terra em relação ao seu plano de translação ao redor do Sol (plano da eclíptica);
Devido à esse ângulo, a distribuição da radiação solar incidente e a altura do Sol - isto é, o ângulo de elevação do Sol acima do horizonte para um observador na superfície da Terra em uma determinada hora do dia (por exemplo, meio dia) - mudam continuamente com o movimento de translação. O Hemisfério Sul se inclina para longe do Sol durante o nosso inverno e para perto do Sol durante o nosso verão.
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima - Latitude
Inclinação da Terra
A radiação solar não é distribuída homogeneamente na Terra. Este fato provoca o surgimento da circulação da atmosfera e dos oceanos para exportar calor dos trópicos para as altas latitudes numa permanente tentativa de uniformizar a energia no planeta;
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Composição da atmosfera terrestre
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Composição da atmosfera terrestre
Gases % em Volume
Nitrogênio Oxigênio
Vapor de águaArgônio
Dióxido deCarbonoNeon Hélio
Metano
78.1% 21%
vária de 0 - 4% 0.93%
por volta de 0.3% abaixo dos 0.002%
0.0005% 0.0002%
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Distribuição vertical da Temperatura (k) na troposfera.
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Espectro de radiação
Ultravioleta: λ ≤ 0,38 µmVisível: 0,38 < λ ≤ 0,76 µmInfravermelho: λ ≥ 0,76 µm
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Balanço de Radiação
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Balanço de Radiação
O aquecimento da atmosfera do planeta ocorre da superfície para a atmosfera. Isto porque a superfície reemite para a atmosfera radiação de onda longa (infravermelha), e este é o comprimento de onda termal, ou seja, que transfere calor.
A diferença de temperatura entre a superfície Terrestre e a atmosfera imediatamente sobre ela gera um fluxo de calor, conhecido como fluxo de calor sensível.
A superfície da Terra também emite radiação de onda curta (visível) de volta para a atmosfera, o que é chamado de albedo terrestre. Mas este tipo de radiação não aquece a atmosfera superior. Quanto maior o albedo, maior é a reflexão da radiação e, consequentemente, menor é a absorção de energia e o aquecimento da atmosfera.
Existe também o fluxo de calor latente que é aquele emitido para a atmosfera em superfícies onde ocorre mudança de fase.
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Albedo
Exemplos de albedos de algumas superfícies:
- neve fresca 0,80 a 0,95
- neve velha 0,42 a 0,70
- solos arenosos secos 0,25 a 0,45
- solos argilosos secos 0,20 a 0,35
- solos turfosos 0,05 a 0,15
- florestas caducas 0,15 a 0,20
- florestas coníferas 0,10 a 0,15
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Radiação Difusa
(a) Céu claro (b) parcialmente nublado (c) nublado
6 8 10 12 14 16 180
100
200
300
400
500
600
700
DE
NS
IDA
DE
DE
FLU
XO
EX
T. (
W/m
2)
TEMPO(h)6 8 10 12 14 16 18
0
100
200
300
400
500
600
700
DE
NS
IDA
DE
DE
FLU
XO
EX
T. (
W/m
2)
TEMPO(h)
6 8 10 12 14 16 180
100
200
300
400
500
600
700
DE
NS
IDA
DE
DE
FLU
XO
EX
T.(
W/m
2)
TEMPO(h)
Radiação total = Radiação Direta + Radiação Difusa
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Balanço de Radiação
De acordo com a estação do ano, algumas regiões podem apresentar sobra ou déficit de energia. Mas a radiação Global se conserva.
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Sazonalidade da precipitação
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Diferença Terra-Mar
Calor específico da água é maior do que o da Terra
Aspectos astronômicos e geográficos do ClimaHidrosfera - A hidrosfera é constituída por toda a água, em estado líquido, no globo. Inclui os oceanos, lagos, rios e águas subterrâneas. Cobre aproximadamente dois terços da superfície do globo e, assim, a maior parte da radiação que chega à superfície da Terra é absorvida por eles. Os oceanos são grandes reservatórios de energia.
Criosfera - A criosfera compreende as grandes massas de gelo e neve na superfície do globo. Inclui os extensos campos de gelo na Gronelândia e Antártida, e outros glaciares continentais, campos de neve, gelo do mar e solo gelado. A criosfera representa o maior reservatório de água doce na Terra, mas sua importância para o sistema climático global é o elevado albedo (reflexão da radiação solar) da neve e da sua baixa condutividade térmica.
Litosfera - A litosfera inclui os continentes, que cobrem cerca de 27% da superfície terrestre e cuja topografia influencia o clima. Por exemplo, o clima nas regiões montanhosas pode ser completamente diferente de um clima de uma região de planície.
Biosfera - A biosfera é constituída por todos os seres vivos que existem no mar e terra.
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Diferença Terra-Mar
Calor específico da água é maior do que o da Terra
Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Altitude
Em termos médios a temperatura do ar cai cerca de 6,5 graus por kilômetro.
Exercícios
1) Comente sobre as relações do balanço de energia na atmosfera e o efeito estufa.
2) Descreva sobre os processos de absorção, reflexão e transmissão da energia solar na atmosfera.
3) Explique se é conhecido algum processo do tipo “monções” na América do Sul.
4) Explique sobre os processos de formação e transporte do Ozônio na atmosfera. Comente também sobre o papel do ozônio na troposfera e na estratosfera.