UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ EAM 510 - FUNDAMENTOS DE METEOROLOGIA

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁEAM 510 - FUNDAMENTOS DE METEOROLOGIA Conceitos e divisões; Sol, terra e atmosfera terrestre

2. 1. CONCEITOS Elevado no ar 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

3. Normais Climatológicas

4. 1. CONCEITOS (continuação) • Elementos meteorológicos/climáticos: São asgrandezas 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...

5. 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);

6. 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...);

7. 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, ...

8. O SOL E SUA ESTRUTURA

9. Galáxia (Via Láctea) Formada por: Estrelas (150 bilhões) + Matéria interestelar Sol é uma estrela minúscula, pertencente ao grupo G2 2. SOL E SUA ESTRUTURA • Universo

10. 2. SOL E SUA ESTRUTURA (continuação) • Características do sol: • Raio R = 6,599105 km; • Idade: ~ 4,6 bilhões de anos; • Composição: 71% H + 26,5% He + 2,5 % metais pesados; • Massa ~ 1,9891030 kg (333.000 a massa da Terra); • 7 Camadas: núcleo, zona radiativa, zona convectiva, fotosfera, superfície, cromosfera e coroa.

11. Núcleo: Produz energia; Diâmetro: 1.100.000 Km; Temp<20.000.000 K; Pressão: 109 atm Zona radiativa: transporte de energia; Espessura: 150.000 Km Zona convectiva: intensa turbulência; Fotosfera: região visível; Espessura:  300 Km Cromosfera: aquecimento do espectro solar; Espessura  2.500 Km; Temp  4200 K 90% da massa

12. Coroa Espessura: indeterminada; Temp:1 milhão K Cromosfera: Cor avermelhada;

13. 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????

14. PRODUÇÃO DE ENERGIA NO SOL Temperatura crítica H H H H H H He H H O Sol produz sua energia a partir de reações termonucleares entre os átomos de hidrogênio presentes em seu núcleo. ⇩ Ocorre no núcleo H H H H He He FUSÃO: 4H → 1He Características: massa (4H) >>> massa (1He) Equilíbrio → produz Energia ! →irradiada

15. 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.

16. 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.

17. O QUE O SOL EMITE ? 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 .

18. A TERRA E SUA ESTRUTURA

19. 3. TERRA E SUA ESTRUTURA • Terra é formada por 4 camadas: núcleo, manto, crosta e atmosfera

20. A Terra 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

21. 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.

22. 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

23. A ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUÍNTES

24. 4. ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUINTES + 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

25. 4. ATMOSFERA, SUA ESTRUTURA E CONSTITUINTES (continuação) Gases que alteram o balanço global e saldo de radiação e na termodinâmica da atmosfera

26. 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).

27. 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 40109 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

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. A estrutura da atmosfera 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.

32. 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)

33. 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. 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.