Atividade de Climatologia

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Universidade de Brasília Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental
Climatologia Aplicada - 2021/2 
Prof. Carlos H. R. Lima
Domingos Magalhães José
Lista de Exercícios 1 - Unidades 1 e 2
Parte 1
1) Indique algumas razões que justifiquem a grande amplitude de variação anual na temperatura da superfície da Sibéria (slide 25, aula 2).
 R: É necessário primeiro,entender como é realizado o cálculo da amplitude térmica anual, para realizar esse cálculo é necessário a verificação diária das temperaturas durante um ano e por meio dessas temperaturas teremos a maior temperatura do ano e a menor, então basta subtrair.
A região da Sibéria tem uma área próxima ao mar e como a água consegue manter a temperatura por um período de tempo maior, não temos grandes variações de temperatura nesses locais. Portanto, quando comparamos a temperatura entre a região mais próxima ao mar e a região interiorana da Sibéria temos grande variação, pois a terra não consegue reter o calor, as mudanças das estações no ano (primavera,verão, outono e inverno), as massas de ar e a vegetação também são pontos importantes.
2) O atmômetro (ou evaporímetro) de Piche é um instrumento utilizado para medir a evaporação atmosférica de uma superfície líquida. Os valores anuais médios estimados para o Brasil são apresentados na Figura 1 abaixo.
a) Comente sobre os principais padrões espaciais observados no país.
 R:Nas regiões de climas mais secos do país a taxa de evaporação é bem maior,quando comparada a regiões mais úmidas, como o Norte com as florestas tropicais e as regiões litorâneas. Um exemplo é o interior do Nordeste que tem a maior taxa de evaporação de todo o mapa.
b) Por que uma região que chove muito, como a Amazônia, apresenta um valor relativamente baixo de evaporação? Por que em regiões mais secas este valor tende a aumentar, mesmo não havendo disponibilidade hídrica para evaporação?
R: Porque a saturação do ar advindo da transpiração das árvores a pressão aumenta dificultando a evaporação da água. Já em regiões mais secas a umidade relativa do ar é bem menor fazendo com que a água presente no ambiente evapore livremente.
a) Considerando que a evaporação em lagos pode ser aproximada pela medida pelo atmômetro de Piche (isso nem sempre é verdade, mas vamos considerar aqui como sendo), estime o custo anual em R$ dessa perda de água para os reservatórios Sobradinho, Tucuruí e Itaipu. Quais as principais razões para as diferenças encontradas entre os reservatórios? O que poderia ser feito para reduzir esses custos? Quais as implicações que essas medidas de redução de custo poderiam trazer? Para cada reservatório, qual período do ano seria mais crítico para essas perdas? Justifique sua resposta. Deixe explícito em suas respostas todas as considerações feitas por você na resolução desse problema.
3) Se a atmosfera for aquecida de 5 ◦C, o que aconteceria com a pressão atmosférica a 5 km acima da superfície do mar? Irá aumentar ou diminuir? E aproximadamente por quanto?
R: Pela fórmula pi.Vi/Ti = po.Vo/To,podemos considerar um volume constante, deixando a fórmula isobárica. Sabendo que a pressão a 5 km do nível do mar é de 64,5 kPa, a temperatura inicial será igual a 15ºC (288 K) e a temperatura final será igual a 20ºC (293K), com esses dados é fácil achar a pressão final acrescida da temperatura chegando a 65,62 kPa,ela irá aumentar.
4) Assumindo que a temperatura média em um dado local (Brasília por exemplo) elevou-se de 20 ◦C para 25 ◦C nos últimos 40 anos, estime a mudança ocorrida na umidade atmosférica relativa se a pressão de vapor permaneceu constante em 7 hPa. Qual a explicação física para essa mudança?
R:Ao aumentarmos a temperatura, aumentamos a pressão de saturação, e ao manter a pressão de vapor constante, aumentar a temperatura faz com que a umidade relativa decresce. A relação entre a temperatura e a pressão de saturação é uma função log que aumenta com o aumento da temperatura ao mesmo tempo.
5) Vimos que a atmosfera é composta, em média (número de moléculas), de 0, 48% de vapor d'água. Entretanto, esse valor pode ser maior dependendo das condições atmosféricas. Estime então a quantidade máxima de vapor d’água que a atmosfera pode suportar para uma temperatura de 23 ◦C.
R: Pela fórmula 𝑒𝑠 = 611. 𝑒𝑥𝑝. ( 17,27𝑇 ) é possível calcular o valor da máxima
quantidade de vapor de água que a atmosfera consegue suportar a uma dada temperatura. Como nesse caso a temperatura dada foi 23º C e vapor de água é igual a pressão de saturação, a pressão encontrada foi de 2,81 kPa,como a pressão atmosférica média é 101,32 kPa, a máxima quantidade de vapor de água que a atmosfera consegue suportar é de 2,7% moléculas.237,3 + 𝑇
6) Considere duas paredes opacas de frente uma para outra. Uma das paredes e um corpo negro e a outra um corpo cinza (absorvidade nao depende do comprimento de onda). As paredes estão inicialmente à mesma temperatura T e, com exceção das trocas de radiação entre elas, não existe nenhuma troca de calor com o ambiente. Se α e são a absortividade e emissividade da parede cinza, prove que α = ϵ.
R: O corpo negro emite uma radiação igual a I=σ ×T4, enquanto o corpo cinza emite
uma radiação igual a B(T)=ε × σ ×T4 , sendo ε =emissividade do corpo,considerando que na natureza nada se cria, tudo se transforma, e de ser um sistema
fechado em que não há troca de radiação com o ambiente, todo valor que for emitido por um corpo deve ser absorvido por outro, e todo valor emitido deve ser absorvido por igual.
O corpo negro absorve toda a radiação emitida pelo corpo cinza (ε × σ ×T4 ), mas o o corpo cinza absorve apenas parte do que é irradiado pelo corpo negro (α × σ ×T4,
sendo α igual a absortividade do material). Dessa forma temos: ε × σ ×T4 = α × σ ×T4,
portanto, podemos concluir que em corpos cinza a emissividade é igual a absortividade do material.
7) O que você acha que causaria o maior impacto no efeito estufa da Terra: remoção
de	todo
resposta.
𝐶𝑂
2
da atmosfera ou remoção de todo vapor de água? Justifique sua
R: A remoção de todo vapor de água causaria maior impacto no efeito estufa, pois o constitui de 36 - 70% do efeito estufa. O vapor de água é responsável por regular a entrada de radiação infravermelha, influenciando diretamente na temperatura da superfície do planeta e na precipitação.
8) A Figura 2 abaixo mostra a radiação de onda longa saindo do topo da atmosfera para os meses de Janeiro e Julho.
a) Assumindo que a Terra se comporta como um corpo negro, utilize a equacao de Stefan-Boltzmann para calcular a temperatura nos tropicos, nas latitudes médias e nas regiões polares.
R: Equação de Stefan Boltzmann: I=σ ×T4 Trópicos: I = 250, segue que T= 257,69 K Latitudes médias: I= 200, segue que T= 243,71 K Regiões polares: I= 100, segue que T = 204,93 K
b) Você acha que essas temperaturas correspondem a atmosfera ou a superfície? Justifique sua resposta.
R: A temperatura na atmosfera, porque ao observarmos a figura podemos perceber diferenças de valores dentro de uma mesma latitude, se os valores correspondem a superfície essa diferença seria observada nos continentes e oceanos de mesma latitude.
c) Você espera que em céu claro esses valores sejam maiores ou menores? Justifique.
R: Maiores pelo fato dos gases presentes na atmosfera serem responsáveis pela emissão de ondas longas, e as nuvens refletem a radiação curta e longa que chegam até elas.
9) Alguns instrumentos dos satélites podem medir os fluxos radioativos emanados do sistema Terra-atmosfera em vários comprimentos de ondas especificados e sobre todo o planeta. Como isso pode ser utilizado para estimar quantitativamente a distribuição global do albedo planetário?
 R: O albedo representa o quão refletiva é a superfície, sendo dado pela razão entre a radiação refletida e a incidente pela superfície terrestre. Para medir essas quantidades são usados satélites capazes de medir os fluxos radioativos do sistemaTerra-atmosfera, pois consegue captar a reflexão emitida pela terra,e consequentemente é possível analisar o albedo planetário.
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10) Mostre que para pequenas perturbações no balanço radioativo da Terra: δTE TE = 1 4 δFE Fe
onde TE é a temperatura de corpo negro equivalente da Terra e FE (= I, slide 27 - aula 3) é a densidade do fluxo radioativo emitido no topo da atmosfera. Use essa relação para estimar a mudança na temperatura de corpo negro equivalente que iria ocorrer em resposta a a) as variações sazonais na distância Sol-Terra devido a excentricidade da órbita da Terra e b) um aumento no albedo da Terra de 0,300 para 0,315.
R: a)Na equação δTE TE = 1 4 δFE Fe,quanto mais longe o sol estiver da terra,ou seja,no afélio(em Julho) menor é o angulo de declinação solar,portanto menor é a temperatura de corpo negro equivalente da terra e quanto mais perto a terra do sol,ou seja,no periélio( em janeiro),maior a declinação solar,mais intensa a radiação solar incidente na terra então maior é a temperatura de corpo negro equivalente da terra,maior o fluxo radioativo incidente no topo da atmosfera.
B)Quanto maior o albedo,menor a radiação de onda curta absorvida pela terra,então a terra teria menos radiação para absorver,isso significa que a temperatura de corpo negro equivalente da terra diminuiria a temperatura porque aquele 1,5% de radiação que ela passou a refletir para espaco,não está mais aquecer.
11) Assuma uma absortividade atmosférica = 0, 77 e o modelo simplificado de balanço energético apresentado na aula 6 (slides 31 e 32). Suponha agora que um aumento de CO2 na atmosfera nos próximos anos levaria a um aumento hipotético
na absortividade atmosférica para ϵ= 0, 8. Se você fosse capaz de mudar o albedo
atmosférico α (por exemplo, colocando um escudo solar no topo da atmosfera), qual seria o novo valor de α para manter a temperatura da superfície Tg em 15◦C com = 0,8?
R:
 A Fórmula balanço energético: T = 4 (1−α) . 𝑆𝑜 , substituindo os valores de T= 15° C (288
K) e ε= 0,8, temos α= 0,32.
g	(2−ε) . 2σ
12) A Figura 3 abaixo mostra a variação diurna da radiação solar incidente no topo da atmosfera (radiação extra-terrestre). Para qual local da Terra foram feitas essas estimativas? Indique o hemisfério e a latitude aproximada, justificando sua resposta com base no gráfico. Faria sentido se indicassem também a longitude do local? Justifique sua resposta.
R: Em Dezembro há uma radiação maior que em junho, sendo essas, características do hemisfério sul, e pela variação entre verão e inverno ser alta, provavelmente se trata de uma latitude média.
Indicar a longitude não teria muito sentido visto que a radiação em uma mesma latitude em diferentes longitudes é a mesma pois a radiação não depende da longitude.
13) Descreva o efeito teórico geral das nuvens na radiação solar incidente (ondas curtas) e na radiação terrestre emitida (ondas longas), e o balanço energético radioativo resultante. De maneira geral, você espera que um céu nublado leve a temperaturas do ar na superfície mais quentes ou mais frias? justifique sua resposta. Considere agora que um aumento na temperatura média da Terra levaria a um aumento na evaporação e consequentemente um aumento na formação de nuvens. Baseado na sua resposta anterior, você espera que as nuvens atuem positivamente ou negativamente na temperatura média global da Terra?
R: A superfície da Terra absorve a radiação solar incidente e reemite a radiação na faixa espectral do infravermelho,as nuvens trabalham como agentes que aprisionam a radiação infravermelha que é emitida pela superfície e pela atmosfera um efeito semelhante ao efeito estufa.
O céu estando nublado leva a temperatura do ar na superfície mais frias, por conta do albedo uma grande parte da radiação solar que chega seria refletida.Portanto, para um aumento na temperatura média da Terra as nuvens atuariam positivamente, controlando a temperatura e não deixando chegar muita radiação na superfície
14) Para um edifício localizado no centro de Brasília, determine a radiação solar por unidade de área nas faces norte, sul, leste e oeste assim como no telhado ao meio-dia do equinócio e solstícios de inverno e verão. Nos seus cálculos, despreze os efeitos da absorção e espalhamento da radiação solar ao longo da atmosfera e a excentricidade da órbita da Terra.
 R: Brasília se encontra a 15º Sul, sendo assim a face norte e o telhado são os lugares que mais absorvem radiação segundo a equação:
Radiação	absorvida	=
𝑆𝑜 . 𝑐𝑜𝑠 15º
á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑜 𝑡𝑒𝑙ℎ𝑎𝑑𝑜
 	𝑆𝑜 . 𝑐𝑜𝑠 75	
𝑎´𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑎 𝑓𝑎𝑐𝑒 𝑛𝑜𝑟𝑡𝑒
e	Radiação	absorvida	=
15) Suponha agora que você dispõe de um coletor solar e quer utilizá-lo para obter a maior quantidade de radiação possível. Compare a radiação recebida ao meio-dia do solstício de verão num coletor com inclinação de 10◦ com a superfície e virado para a face sul e um coletor sobre a superfície plana. Para aumentar a radiação ̧ao incidente, indique qual seria a melhor inclinação e sentido do coletor as 9 horas e 15
horas.
R: Ao meio dia a radiação solar chega perpendicular à superfície terrestre, ou seja, o ângulo zênite é igual a 0.Portanto, em uma placa inclinada a 10º ao meio os valores de radiação serão:Radiação absorvida = So.cosθ -> Rad. abs = 1367 Wm e 1284,56 Wm-2.
16) Sabemos que a baixa umidade durante os meses de junho-setembro sempre causa inúmeros transtornos para a sociedade (poluição atmosférica, doenças respiratórias, queimadas, etc). Com isso em mente, um aluno do curso de Engenharia Ambiental da UnB desenvolveu um modelo capaz de prever, já no mês de Janeiro, a quantidade de dias entre Julho e Setembro em que a umidade atmosférica no DF está a abaixo de um valor crítico (por exemplo, 20% de umidade relativa). Sabendo que esse modelo é robusto e apresenta bons resultados, indique como essa informação poderia ser utilizada pela sociedade e pelos diversos órgãos do Governo do Distrito Federal para amenizar os impactos de períodos secos extremos sobre a população local.
 R: Informações sobre a umidade são muito importantes para a manutenção da vida cotidiana, podendo ser utilizadas por òrgãos públicos para alertar a população de modo há precavê-los a tomar os devidos cuidados, e até mesmo planejar soluções para a baixa umidade, como por exemplo instalar umidificadores em locais estratégicos e criar planos para sua utilização, campanhas de incentivo a hidratação e plantio de árvores para promover mais sombras e uma melhora na qualidade do ar.
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