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.