Aula 2 Fundamentos Geofísicos da Hidrologia

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22/02/2016
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HIDROLOGIA
Disciplina: Hidrologia
Professor: Marcelo Jacomini Moreira da Silva
Fundamentos Geofísicos da Hidrologia
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#
#
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&\%[
Dem
288 - 323
324 - 359
360 - 395
396 - 431
432 - 467
468 - 503
504 - 539
540 - 575
576 - 611
Watershed
Outlets
# Manually added Outlet
&\ Weagages
%[ Raingages
Cursos_ agua3_ lin.shp
HIDROLOGIA - Atmosfera
2
• Grande reservatório de vapor d’água
• Apresenta, sob condições específicas, regiões com água 
na forma liquida (fase condensada) ou sólida (gelo)
Reservatório
• Sistema de distribuição de água atmosférica no planeta 
por meio de correntes atmosféricas
Transporte
• Absorve seletivamente parte da radiação solar 
(pequenos comprimentos de ondas)
• Retém a radiação calorifica indireta emitida pela terra
Coletor de Calor
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tr
e
HIDROLOGIA - Atmosfera
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Espessura
Teoricamente indefinida
Considera-se 45km a 
partir do nível do solo
Não se distribuem 
igualmente no planeta
Para fins meteorológicos 
influencia até 15km
Massa
Estima-se: 5,6 x 1015
toneladas
Distribuição 
desuniforme vertical
Primeiros 5km: 50% 
da massa 
atmosférica
Primeiros 10km: 75% 
da massa 
atmosférica
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HIDROLOGIA - Atmosfera
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Variações das grandezas físicas mais rápidas 
na vertical do que na horizontal
Variações das grandezas físicas mais rápidas 
na vertical do que na horizontal
Pressão 
1/10.000
Temperatura
1/1000
Correntes de 
Ar:
Quase 
horizontais
Justificativa: 
Diferença nas dimensões
HIDROLOGIA - Atmosfera
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Composição da atmosfera estimada para até 25km de 
altitude, sendo praticamente inalterada até 45km
HIDROLOGIA - Atmosfera
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O ar pode ser considerado um gás perfeito (química)
Vapor d´água no Ar Atmosférico
• Grande variação de peso por m3, sendo indicado a medição em:
•
����� �� ����� ����
����� �� �������� ����
= ������� ��������� (��)
• Valor Médio = 25 g/kg (ar tropical) e 0,5 g/kg (ar polar)
HIDROLOGIA - Atmosfera
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Propriedades do Vapor Atmosférico
• Em uma mistura de gases, cada componentes exerce uma 
pressão parcial, que independe dos demais componentes
• A pressão parcial causada pelo vapor d’água é chamada tensão 
de vapor (ea)
Quantidade de Vapor d’água presente no ar
• Depende da temperatura mas não depende da pressão
• Quando o ar está com a quantidade máxima de vapor para sua 
temperatura diz-se: AR SATURADO
• A partir da condição de ar saturado qualquer vapor d’água 
adicional será condensado (gotículas)
• A condensação da água gera 600cal/gH2O
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HIDROLOGIA - Atmosfera
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HIDROLOGIA - Atmosfera
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HIDROLOGIA – Umidade absoluta (atual)
Sendo a mistura vapor d’água + ar considerada 
um gás perfeito, pode-se:
�. � = �. �. � ��. � = ��. �. �
Definindo umidade absoluta como: �� =
��
�
�� =
��
��
�� = 2,169
��
�
Ua - umidade absoluta, kg.m-3;
ea - pressão parcial de vapor d’água, kPa; 
T - temperatura do ar, K
HIDROLOGIA – Umidade especifica
Já definimos a umidade específica como a 
relação entre as massas
�� =
��
�� + ���
��. � = ��. �. �
�� =
0,622. ��
���� − 0,378. ��
Ue - umidade específica, kg/kg;
����. � = ���. �. �
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HIDROLOGIA – Umidade relativa
É a relação entre tensão de vapor e a tensão 
de vapor de saturação, para determinada 
temperatura do ar
�� =
��
��
�� =
��
��
 A umidade relativa está ligada a sensação 
fisiológica (sensação térmica)
 Geralmente aumenta a partir do nível do solo, 
chegando a 100% nas regiões com nuvens
 Acima de 6km a UR reduz rapidamente
HIDROLOGIA – Razão de Mistura ou Taxa de Umidade
É a relação entre a massa de vapor d’água e a 
massa de ar seco
� =
��
��� ����
� = 0,622
��
����
r – razão de mistura
A indústria alimentícia denomina este parâmetro 
Umidade da Base Seca, e a umidade absoluta como: 
Umidade Base Úmida
HIDROLOGIA – Radiação Solar
 Maior fonte de energia 
para a Terra, 
 Principal elemento 
meteorológico
 Um dos fatores 
determinantes do tempo 
e do clima.
 Interfere em diversos 
processos: físicos: 
aquecimento, evaporação, 
bio-físicos (transpiração) 
e biológicos 
(fotossíntese)
HIDROLOGIA – Órbita da Terra
 Obs: 
Achatamento 
exagerado
 Data exata do 
periélio e afélio 
não é fixa
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HIDROLOGIA – Órbita da Terra HIDROLOGIA – Radiação solar
 O solar emite ondas eletromagnéticas com comprimento até 4µm
HIDROLOGIA – Radiação solar
A radiação solar incidente na atmosfera tem 
o nome de constante solar, sendo em média:
�� = 1,39 
��
���
Considerada como raios paralelos medidos 
em uma superfície perpendicular
Alguns autores consideram essa variação é pequena 
ao longo do ano
HIDROLOGIA – Radiação solar
VERÃO
INVERNO
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HIDROLOGIA – Radiação solar HIDROLOGIA - Atmosfera
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• Grande reservatório de vapor d’água
• Apresenta, sob condições específicas, regiões com água 
na forma liquida (fase condensada) ou sólida (gelo)
Reservatório
• Sistema de distribuição de água atmosférica no planeta 
por meio de correntes atmosféricas
Transporte
• Absorve seletivamente parte da radiação solar 
(pequenos comprimentos de ondas)
• Retém a radiação calorifica indireta emitida pela terra
Coletor de Calor
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Para Hidrologia / Meteorologia o enfoque está no 
efeito térmico provocado pela radiação solar
Nem toda radiação chega a atmosfera próxima da 
superfície terrestre
O ar seco absorve pouca radiação em pequenos 
comprimentos de ondas
HIDROLOGIA - Atmosfera
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O ar seco absorve pouca radiação em pequenos 
comprimentos de ondas
HIDROLOGIA - Atmosfera
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Saara: Saara: 
Precipitação e Temperatura média
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HIDROLOGIA – Radiação solar
Radiação Solar
Difusão
Refletida 
na direção 
contrária 
(perdida)
Refletida na direção da 
superfície
Absorç
ão na 
atmosf
era
Incidente na 
Superfície 
Terrestre
Refleti
da pela 
Superfí
cie
Absor
vida
Refletida 
pela 
Superfície
Absorvi
da
Absorção 
na 
Atmosfera
Incidente na 
Superfície 
Terrestre
HIDROLOGIA – Radiação solar
19 % é perdida por absorção pelas 
moléculas de oxigénio e ozónio da radiação 
ultravioleta (de alta energia) na estratosfera
* 6% é perdida por difusão da luz solar de 
menor comprimento de onda - azuis e violetas 
- (o que faz com que o céu seja azul);
* 24% é perdida por reflexão - 20% nas 
nuvens e 4% na superfície. (O albedo do 
planeta é de 30% (6% difusão+24% 
reflexão).
* 51% é absorvida pela superfície.
Considerando nuvens, e demais fatores a 
incidência máxima na superfície terrestre 
está entre 0,35 e 0,40 kW/m2 (média diária) 
HIDROLOGIA – Radiação solar
MÉDIA !
HIDROLOGIA – Camadas da atmosfera
Para fins didáticos a ar 
atmosfera em camadas com 
características 
semelhantes
Decréscimo de temperatura em 
função da altitude (aprox 0,6°C a 
cada 100m
Atinge altura média de 10km (6km 
nos polos e 17km no equador)
Região com temperatura constante 
em função da altitude
Se estende até aprox. 35km
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HIDROLOGIA – Camadas da atmosfera HIDROLOGIA – Troposfera
Decréscimo de temperatura em 
média 0,6°C a cada 100m
Está sujeita a influencias locais do 
solo e umidadeGrande influencia de nebulosidade 
que reduz tanto incidência solar, 
como a radiação emitida pelo solo
No inverno o solo frio faz com que a 
camada próxima ao solo tenha menor 
temperatura (inversão térmica)
HIDROLOGIA – Relação Pressão x Temperatura
Quando determinado volume de ar não 
saturado é submetido a um aumento 
de pressão seu volume diminui e sua 
temperatura aumenta
Como pressão está relacionada com 
altitude
Quando determinado volume de ar não 
saturado se eleva, seu volume aumenta 
e sua temperatura diminui
HIDROLOGIA – Relação Pressão x Temperatura
Na condição do ar não saturado, e 
considerando sem troca de calor 
(adiabático)
Temos um gradiente de 1°C a cada 100m
Temos um Gradiente de 
Temperatura Adiabático Seco, 
pois não havendo condensação a 
água não interfere no processo
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HIDROLOGIA – Relação Pressão x Temperatura
Na condição do ar saturado, a 
diminuição da temperatura fará com 
que parte do vapor d’água de condense 
liberando calor latente
Portanto o Gradiente de Temperatura 
Adiabático do Ar Saturado será menor 
Gradiente de Temperatura Adiabático 
do Ar Seco
Aprox. 
0,53°C a 
cada 100m
Como esse valor á calculado retirando a água 
condensada diz: Pseudo-adiabática
HIDROLOGIA – Estabilidade Térmica
Quando, numa camada atmosférica, a
distribuição de temperaturas é tal
que um volume elementar de ar
deslocado verticalmente tende a
retornar para sua posição original
diz-se que essa camada é estável
Esse conceito permite caracterizar a 
possibilidade de movimentos 
verticais
HIDROLOGIA – Estabilidade Térmica
km
C
z
T
CRITICO 1
100



T(0)
Temperatura (T)
Altura (z)
Gradiente de 
Temperatura 
Adiabático Seco
km
C
z
T
1
3,5 0


 Gradiente de 
Temperatura 
Pseudo Adiabático 
Uma camada de ar não 
saturado, será estável se o 
gradiente de temperatura for 
menor que o adiabático seco
Uma camada de ar saturado, 
será estável se o gradiente de 
temperatura for menor que o 
pseudo-adiabático
Região 
condicional
mente 
estável
Camada é MUITO 
estável
0
z
T



 Os movimentos verticais 
são FORTEMENTE 
restringidos.
 É o que ocorre na 
estratosfera e mesosfera 
(ou muito próximas ao solo 
em noites de inverno). 
 A restrição ao movimento 
vertical ascendente 
impede totalmente a 
formação de nuvens nestas 
duas camadas. 
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HIDROLOGIA – Campo de pressões e ventos
• Pressão atmosférica ou pressão do ar
– É o peso que o ar (atmosfera) exerce sobre uma
superfície
• As moléculas do ar ocupam espaço e têm peso
• Quanto maior a altitude, menor a quantidade de ar,
menor a pressão
Variação de pressão no tempo:
 Regulares diurnas: função da 
temperatura
 Irregulares: sobrepõe as 
regulares e associadas a 
fenômenos meteorológicos
HIDROLOGIA – Campo de pressões e ventos
• Campo Horizontal de Pressões
– Dois pontos próximos, a mesma altitude podem
ter pressões atmosféricas diferentes o mesmo
instante
• Desequilíbrio Hidrodinâmico
• Chama-se isobáricas as curvas de igual
pressão
– Um conjunto de isobáricas forma um relevo
barométrico
– O relevo barométrico tem definições
semelhantes ao topográfico
HIDROLOGIA – Carta Sinótica do Tempo
Centros de baixa pressão ou 
ciclone (depressões)
Centros de alta pressão ou 
anti-ciclone
HIDROLOGIA – Ventos
Desequilíbrio 
Hidrodinâmico
Diferença 
de 
Pressão
Movimentação 
de massas
Ventos
 Difícil determinação exata
 Há interesse: em regime 
permanente (por ΔP fracos)
 Consideração como horizontal
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HIDROLOGIA – Ventos
• Vento de Gradiente
– Gerado pela diferença de pressão (gradiente 
barométrico horizontal = G = 
∆�
∆�
)
– Sendo ΔL a distancia horizontal medida 
perpendicularmente entre as linhas isobáricas
– Devido a rotação da terra
– Força de Coriolis
– As linhas resultantes são 
desviadas para a esquerda no 
hemisfério sul 
– O equilíbrio das Forças gera o 
vento geostrófico (paralelo as 
isobáricas) 
HIDROLOGIA – Ventos
• Quando as isobáricas são forem paralelas temos a 
ocorrência de força centrifuga
• A resultante das 3 forças (gradiente de pressão, 
coriolis, centrifuga) é o Vento do Gradiente
HIDROLOGIA – Ventos HIDROLOGIA – Ventos
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HIDROLOGIA – Ventos na camada de atrito
• À baixas altitudes, até 1000m e próximas ao 
solo, o vento sofre influencia do atrito com o 
solo
– Gerando uma força contrária ao sentido do vento que 
deverá ser equilibrar com as 3 forças citadas 
anteriormente
– Neste caso os ventos deixam de ser horizontais e 
formam um ângulo entre 20 e 30º com a superfície
HIDROLOGIA – Evolução Meteorológica
• Não existe modelo matemático exato
• É possível prever a situação meteorológica a 
partir de dados atuais com uma perspectiva de 
aprox 48horas, sujeitas a confiabilidade de 
resultados (estatística)
Circulação Geral da Atmosfera
Térmica
Influencia da 
rotação
Influencia da 
distribuição 
desigual de 
terras e mares
HIDROLOGIA – Circulação Geral da Atmosfera
• Circulação Térmica Meridional
– Modelo mais simples proposto
– Desconsidera rotação da terra e distribuição desigual de terras
• Distingue 5 zonas bem definidas
HIDROLOGIA – Circulação Térmica Meridional
• Intensa radiação solar
• Ascensão de massas úmidas
Cinturão das Calmarias e 
das Baixas pressões 
equatoriais
• Alísios – ventos de solo
• Contra-alísios – ventos de altitude
Zona dos alísios e 
contra alísios
• Ventos Contra-alísios resfriam, 
• Região dos principais desertos
Cinturão das altas 
pressões sub tropicais 
(Aprox 30º de Latitude)
• Circulação atmosférica complexa
• Ciclones
Zonas Temperadas 
(Aprox 45º de Latitude)
• Região de resfriamento das massa de ar
• Tem grande influencia atmosféricaZonas Polares
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HIDROLOGIA – Circulação Geral da Atmosfera
• Influencia da rotação da Terra
– A força de Coriolis desloca a trajetória dos ventos 
para a direita ou esquerda conforme o hemisfério
– Na Zona temperatura a intensidade dos ventos com 
diferentes características formam as frentes
• Influencia da 
distribuição das terras 
e mares
– Causa descontinuidade 
nas regiões de altas e 
baixas pressões, devido a 
diferença de 
temperatura entre mares 
e solo (Centros de Ação)
HIDROLOGIA – Circulação Geral da Atmosfera
HIDROLOGIA – Ciclones e Anticiclones HIDROLOGIA – Ciclones e Anticiclones
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HIDROLOGIA – Ciclones e Anticiclones
Furação/Ciclone Catarina (março 2004)
HIDROLOGIA – Massas de Ar / Frentes
• Grande quantidade de ar atmosférico com 
características físicas “uniformes”
– Temperatura, umidade, etc
– Distribuída num plano horizontal
– Movimentação distinta das regiões adjacentes
– Formam-se quando grandes extensões estão em 
repouso, ou se deslocam lentamente
• Frentes:
– Superfície que divide 2 massas de ar
– Diferenças entre as características de massas 
quando em contato iniciam ciclones
HIDROLOGIA – Frentes
• Quente: 
– movimentação de massa de ar quente 
• Fria:
– movimentação de massa de ar fria
HIDROLOGIA – Formação de ciclones
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HIDROLOGIA – Formação de ciclones