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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL DISCIPLINA: Hidrologia e climatologia (ENR 5512) Capítulo: Umidade do ar e precipitação Prof. Rosandro Boligon Minuzzi E-mail: rbminuzzi@cca.ufsc.br www.labclimagri.ufsc.br Telefone: 3721-5484 “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 2 1. Introdução Com uma concentração praticamente nula nas regiões desérticas e nos extremos polares, a até 4% em volume, nas regiões tropicais quentes e úmidas, o vapor d’água é um dos mais importantes constituintes atmosféricos. A presença de vapor d’água na atmosfera é igualmente importante como condicionante de ocorrência e controle de pragas/moléstias vegetais e animais, e também como determinante na qualidade, do armazenamento, da conservação dos produtos, bem como do conforto animal. É elemento decisivo no ciclo hidrológico. Em primeiro lugar, o vapor d’água é a origem de todas as formas de condensação e de precipitação. Em segundo lugar, o vapor d’água pode absorver tanto a radiação solar quanto a terrestre e, assim, desempenha papel de regulador térmico no sistema Terra-atmosfera. Em terceiro lugar, o vapor d’água contém calor latente e essa energia é liberada quando o vapor se condensa, sendo importante fonte de energia para a circulação atmosférica e o desenvolvimento de perturbações atmosféricas, afetando indiretamente a estabilidade do ar. Em quarto lugar, a quantidade de vapor d’água no ar é importante fator que influencia a taxa de evaporação e de evapotranspiração. Em quinto lugar, ao contrário dos outros gases atmosféricos, o vapor d’água pode passar para a forma líquida ou sólida no nível das temperaturas atmosféricas normais. 2. Umidade 2.1. Pressão real do vapor d’água (ea) O ar atmosférico é composto de uma mistura de gases e vapores. De acordo com a Lei de Dalton das pressões parciais, cada constituinte atmosférico exerce pressão sobre a superfície independente da presença dos outros, de tal modo que a pressão total (atmosférica) é igual à soma das pressões de cada gás ou vapor. Como neste caso, o objetivo é estudar a pressão exercida pelo vapor d’água, pode-se considerar a pressão atmosférica (P) como sendo composta pela pressão exercida por todos os constituintes atmosféricos, exceto o vapor d’água (Par seco) mais a pressão exercida pelo vapor d’água (ea), ou seja, P= Par seco+ea A pressão real de vapor (ea) varia desde zero, para o ar totalmente seco, até um valor máximo denominado de pressão de saturação de vapor d’água (es). UNIDADES DE PRESSÃO 1 atm = 760 mmHg = 1013,3 mb = 1013,3 hPa = 101,33 kPa 2.2. Pressão de saturação do vapor d’água (es) Pela Lei dos gases ideais, verifica-se que em condições de pressão constante, o volume (V) de uma massa de ar é diretamente proporcional à sua temperatura (V=nRT/P). Portanto, o volume de ar se contrai/expande com a variação da T. Essa variação de volume impõe um limite à quantidade de vapor d’água que pode ser retida pelo volume. “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 3 Observe na Figura 1, a presença d’água em um recipiente, em instantes diferentes (ta e tb), mas à mesma temperatura. No instante inicial (ta), a água acaba de ser colocada no recipiente, e portanto, ainda não existe vapor d’água acima da superfície líquida. Assim, um manômetro (aparelho medidor de pressão) corretamente instalado indicará pressão nula. Ao iniciar o processo de evaporação, o ponteiro do manômetro começa a se deslocar, indicando uma elevação na pressão do ambiente. A temperatura é mantida constante. Em um instante posterior (tb), o ponteiro se estabiliza, significando que o processo de evaporação interrompeu-se; verifica-se que o nível da água baixou no recipiente, indicando que parte da água líquida transformou-se em vapor até ocorrer a saturação do ambiente. A pressão registrada é devida, exclusivamente, ao vapor d’água e é denominada pressão de saturação do vapor d’água (es). Seu valor varia com a temperatura em que ocorre o processo, uma vez que ao se elevar a temperatura verificar-se-á que o ponteiro do manômetro continua a subir, até que se estabilize novamente, indicando um novo valor da pressão de saturação. Figura 1. Duas situações de recipiente fechado com água e a temperatura constante. a) instante inicial (ta) sem evaporação, e b) instante posterior (tb) com ambiente saturado de vapor d’água (Fonte: Vianello e Alves, 1991). Atingida a saturação, desde que a temperatura do ar não se altere, nenhuma quantidade adicional de vapor d’água pode ser incorporada ao ar. Qualquer tentativa nesse sentido sempre provocará a passagem, à fase líquida ou sólida, de uma quantidade de vapor igual ao excesso incorporado. Dentre as diversas expressões apresentadas na literatura para o cálculo de es, a descrita por Tetens mostra ótimos resultados quando comparadas com as fórmulas de Goff-Gratch (adotada pela OMM), podendo assim, ser utilizada na grande maioria das aplicações meteorológicas: kPae t t s ) 3,237 .5,7( 10.6108,0 += ou hPaoumbe t t s ) 3,237 .5,7( 10.108,6 += “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 4 em que, t é a temperatura do ar (°C). Nota-se, que a capacidade da atmosfera em reter umidade aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura. Na natureza, o ar não se encontra contido num recipiente e um enorme volume de ar envolve uma massa de água, e se satura apenas em algumas situações especiais. Portanto, num dado instante a pressão real do vapor d’água (ea) é menor que a pressão de saturação do vapor d’água (es). Nessas condições, diz-se que existe um déficit de saturação de vapor d’água (∆e) que é obtido pela diferença entre es e ea (∆e=es-ea). 2.3. Umidade relativa do ar Outra maneira de se verificar o déficit de saturação é pela razão entre a pressão real e a de saturação, isto é, a umidade relativa (UR). Assim, a UR é a relação entre a umidade que o ar contém (ea) e a quantidade máxima (es) que o ar poderá conter na mesma temperatura. %100. s a e eUR = 2.3.1. Medida da umidade relativa do ar Os principais instrumentos utilizados são apresentados abaixo: - Psicrômetro: é constituído de dois termômetros (postos dentro do abrigo meteorológico), sendo um com o bulbo seco, que mede a temperatura real do ar (t), e o outro com o bulbo envolto em uma gaze (tu) sempre umedecida (Figura 2), que perde água a uma taxa dependente da concentração de vapor no ar. Quanto maior a diferença entre essas temperaturas, maior o poder evaporante do ar, indicando que a concentração de vapor d’água na atmosfera está distante do valor de saturação, isto é, que a UR é baixa. Em contrapartida, quando as temperaturas desses termômetros estão próximas, significa que o teor atual de vapor d’água está próximo da saturação, ou seja, UR alta. Estando com valores iguais (t = tu), significa que a UR=100%. “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 5 Figura 2. Ilustração de um psicrômetro dentro de um abrigo meteorológico (termômetro de bulbo seco a esquerda e de bulbo úmido a direita). Com a temperatura do bulbo úmido (tu), determina-se o valor de esu pela equação de Tetens, fazendo-se t = tu. A pressão real do vapor d’água é determinada pela equação psicrométrica: kPattAPee usua )( −−= em que, P é a pressão atmosférica local (kPa), e A é um coeficiente psicrométrico. A=0,0008°C-1, para psicrômetros com ventilação natural. Ao produto AP, denomina-se constante psicrométrica (γ). Para psicrômetros com ventilação natural γ= 0,074 kPa°C-1. A umidade relativa pode ser determinada pelo uso de uma Tabela psicrométrica (Figura 4). O valor tabular da UR é encontrado facilmente, cruzando a coluna correspondente ao valor da diferença psicrométrica (t-tu), com a linha equivalente ao valor da temperatura do ar (bulbo seco (t)). Quando a estação meteorológica considerada tiver altitude superior a 290m, haverá necessidade de aplicar uma correção (não apresentada neste material). Isto deve-se, pois o valor tabular da umidade relativa é determinado usando-se, na equação psicrométrica, a pressão ao nível médio do mar. “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 6 Figura 4. Tabela psicrométrica em valores inteiros. Exemplo 1: Numa estação meteorológica, o psicrômetro com ventilação natural fez os seguintes registros às 15h (local): temperatura do bulbo seco de 24°C e do bulbo úmido de 19,9°C. Determine a umidade relativa do ar pelas equações e utilizando a Tabela psicrométrica. ) 3,237 .5,7( 10.6108,0 t t se + = kPaes 98,210.6108,0 ) 243,237 24.5,7( == + ) 3,237 .5,7( 10.6108,0 tu tu sue + = kPaesu 32,210.6108,0 ) 9,193,237 9,19.5,7( == + Como o psicrômetro é com ventilação natural, a constante psicrométrica (γ) será 0,074kPa°C-1. )( usua ttAPee −−= kPaea 02,2)9,1924(074,032,2 =−−= 100. s a e eUR = %78,67100. 98,2 02,2 ≅=UR Pela Tabela psicrométrica como (t-tu= 24-19,9= 4,1), teremos UR≈69% . “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 7 - Sensores capacitativos: são utilizados em estações meteorológicas automáticas. O sensor constitui-se de um filme de polímero, que absorve vapor d’água do ar alterando a capacidade de um circuito ativo. 2.3.2. Média diária da umidade do ar Tendo dados horários da UR (geralmente obtido em estações automáticas), o valor diário pode ser obtido pela média aritmética simples: n UR UR nmedia ∑ = Para as estações convencionais que geralmente realizam três registros por dia, a UR do dia pode ser calculada pela média compensada: 4 )).2(( 001812 TMGTMGTMG media URURURUR ++= 3. Precipitação Defini-se como precipitação a qualquer deposição em forma líquida ou sólida e derivada da atmosfera. Assim, o termo refere-se às várias formas líquidas e congeladas de água, como a chuva, neve, granizo, orvalho, geada e nevoeiro. Contudo, somente a chuva e a neve contribuem significativamente com os totais de precipitação, e nos trópicos, o termo precipitação pluvial é sinônimo de precipitação, pois a neve inexiste, exceto em alguns lugares montanhosos. 3.1. Tipos de chuva Os tipos de chuva se caracterizam pela sua origem: - Chuvas frontais ou ciclônicas: são originárias de nuvens formadas a partir do encontro de massas de ar frio e quente (frente fria, frente quente ou frente estacionária). A massa quente e úmida (mais leve) tende a se elevar, resfriando-se adiabaticamente, isto é, sem troca de calor com o meio adjacente. Nesse processo forçado de subida da massa úmida ocorre a condensação (Figura 3). “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 8 Figura 3. Ilustração do encontro de duas massas de ar com características diferentes (Fonte: Varejão-Silva, 2001). - Chuvas convectivas: originam-se de nuvens formadas a partir de correntes convectivas (térmicas) que se resfriam adiabaticamente ao se elevarem, resultando em nuvens de grande desenvolvimento vertical (Figura 4). São também conhecidas como ‘chuvas de verão’, por serem de forte intensidade e curta duração, predominando no final da tarde e à noite. Figura 4. Ilustração de nuvem do tipo cumuliformes originada pelo forte aquecimento da superfície. - Chuva orográfica: Ocorrem em regiões montanhosas, onde o relevo força a subida da massa de ar úmido (Figura 5). Devido aos ventos, o ar sobe pela encosta resfriando-se adiabaticamente, com condensação e formação de nuvens tanto cumuliformes quanto estratiformes. Figura 5. Ilustração da formação de nuvens e ocorrência de chuva do tipo orográfica. 3.2. Características das chuvas - Altura pluviométrica (h): é a quantidade de água precipitada por unidade de área, geralmente expressa em milímetros (mm), sendo que 1,0mm de chuva corresponde ao volume de 1litro/m² de área ou 10m³/ha. - Duração (t): é o intervalo de tempo decorrido entre o início e o término da precipitação. Geralmente é medido em minutos ou horas. “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 9 - Intensidade (i): é a relação entre a altura (h) e a duração (t) da precipitação. A intensidade tem aplicação em dimensionamento de sistemas de drenagem e conservação do solo. min)/()/( mmouhoramm t hi = 3.3. Medida da precipitação O instrumento básico de medição da chuva é o pluviômetro (Figura 6a), que é constituído de uma área de captação e de um reservatório onde a água da chuva é armazenada até o momento da leitura. As medidas da chuva obtida por pluviômetros são realizadas às 12TMG (9 horas de Brasília, no horário padrão). Assim, por exemplo, o valor de chuva associado ao dia 25 de dezembro corresponderá ao total de chuva acumulada desde às 12TMG do dia 24 de dezembro até às 12TMG do dia 25 de dezembro. Se o instrumento tiver um sistema de registro contínuo da quantidade e da hora de ocorrência das chuvas, ele é denominado pluviógrafo. Os instrumentos devem ser instalados de forma que sua área de captação fique a 1,5m da superfície (Figura 6a) a b Figura 6. Ilustração de um pluviômetro (a) e de um eletrônico com detalhe do seu interior (b). EXERCÍCIOS: 1. Sabendo que a t=tu= 23,2°C, qual seria a UR? Justifique sua resposta. 2. Para uma temperatura do ar (t) de 18°C e diferença psicrométrica de 1,5°C (t – tu= 1,5°C), qual seria umidade relativa do ar? Considere a constante psicrométrica como sendo 0,074kPa°C-1. R.: es=2,06 kPa; ea= 1,76 kPa; UR= 85,44% 3. Explique os tipos de chuva de acordo com sua origem. R.: ver item 3.1 4. Baseado nas informações horárias de chuva coletadas por um pluviógrafo automático (eletrônico), destacadas abaixo, responda: “Umidade do ar e precipitação” Hidrologia e climatologia (ENR 5512) – Prof. Rosandro B. Minuzzi 10 a) em que momento a chuva foi mais intensa (mm/hora)? b) qual foi a altura pluviométrica do período das 09h às 18h? Nota: Para melhor compreensão dos dados horários de chuva, como exemplo, o registro de 4 mm às 14h:00, significa que das 13h:01min até às 14h:00, choveu (altura pluviométrica) 4 mm. Bibliografia recomendada: PEREIRA, A.R.; ANGELOCCI, L.R.; SENTELHAS, P.C. Agrometeorologia: fundamentos e aplicações práticas. Editora Agropecuária, 478p. 2002 PEREIRA, A.R.; VILLA NOVA, N.A.; SEDIYAMA, G.C. Evapo(transpi)ração. FEALQ, 183p. 1997. VIANELLO, R.L.; ALVES, A.R. Meteorologia básica e aplicações. Editora UFV, 449p. 1991 VAREJÃO SILVA, M.A. Meteorologia e climatologia. INMET, 515p. 2001. Versão digital disponível em: http://www.agritempo.gov.br/publish/publicacoes/livros/METEOROLOGIA_E_CLIMATOLOGIA_VD 2_Mar_2006.pdf Hora Chuva (mm) 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 0,0 1,2 2,6 0,0 0,0 4,0 0,8 3,1 0,0 0,9
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