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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO CENTRO DE CIÊNCIAS MATEMÁTICAS E DA NATUREZA INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE METEOROLOGIA A TEMPERATURA DO AR1 POR MARCELO BELASSIANO RIO DE JANEIRO, RJ NOVEMBRO, 1998 1 Tradução com finalidade didática de: AHRENS, A. D. Essentials of Meteorology: an invitation to the atmosphere. West Publishing Company, New York, 1993. Cap. 3, p 53-71. Temperatura do Ar Variações da Temperatura Diurna Aquecimento Diurno Resfriamento Noturno Ar Frio Próximo a Superfície Os Controladores de Temperatura Dados de Temperatura do Ar Temperaturas Diária, Mensal e Anual O uso de dados de temperatura Temperatura do Ar e Conforto Humano Medição da Temperatura do ar Resumo Termos Chave Questões de Revisão A temperatura do ar é um elemento importante do tempo. Ela não somente dita como devemos nos vestir, mas a obtenção e aplicação cuidadosa dos dados de temperatura é de extrema importância para todos. Isto porque sem informações confiáveis deste parâmetro, o trabalho de fazendeiros, previsores de tempo, trabalhadores da construção civil e muitos outros seria muito mais difícil. Por isso, nós começamos este capítulo examinando a variação diurna da temperatura do ar. Aqui vamos responder perguntas tais como por que a temperatura máxima do dia é normalmente a tarde, e porque a mínima é geralmente de manhã cedo. E por que noites claras e calmas são geralmente mais frias que noites claras com vento. Depois de examinarmos os fatores que fazem com que a temperatura varie de um lugar para o outro, vamos ver as médias e amplitudes diurnas, mensais e anuais, voltados para aplicações práticas no dia-a- dia. Perto do final do capítulo, veremos como a temperatura do ar é medida e como o vento pode mudar nossa percepção desta em relação à temperatura do ar. Variação Diurna da Temperatura No capítulo 2, nós aprendemos como a energia solar associada aos movimentos da Terra geravam as diferentes estações. De certa forma, cada dia de Sol é como uma pequena estação, uma vez que o ar passa por um ciclo diário de aquecimento e resfriamento. O ar se aquece durante a manhã, enquanto a inclinação solar diminui, espalhando uma camada de energia sobre a superfície, em forma de calor. O Sol atinge seu ponto mais alto perto do meio-dia, quando então ele começa sua lenta jornada para o horizonte ocidental. É nesta hora que a superfície terrestre recebe os raios solares mais intensos. Entretanto não é esta a hora mais quente do dia. Ao invés, o ar continua a se aquecer, normalmente atingindo a temperatura máxima durante o período da tarde. Para descobrirmos o porquê deste atraso, precisamos examinar uma camada fina de ar em contato com a superfície. Aquecimento Diurno - Quando o Sol nasce pela manhã, aquece o solo, que por sua vez aquece o ar em contato com ele por condução. Contudo, o ar é um mau condutor de calor, e este processo só ocorre até poucos centímetros da superfície. Enquanto o Sol ascende, o ar em contato com o solo se torna ainda mais quente, e, em um dia calmo, há uma diferença substancial de temperatura imediatamente acima do solo. Isso explica porque corredores, em uma tarde calma e clara de verão, podem experimentar temperaturas do ar superiores a 50oC nos pés e somente 35oC na cintura. (Veja Fig. 3.1.) Próximo à superfície começa a haver convecção, e bolhas de ar ascendente ajudam a redistribuir o calor. Com tempo calmo, isto não mistura o ar efetivamente. Logo, grandes diferenças de temperatura na vertical podem ocorrer. Em dias com vento, entretanto, vórtices turbulentos são capazes de misturar o ar quente da superfície com o ar mais frio acima. Esta forma de mistura mecânica, as vezes referida como convecção forçada, ajuda a transferir o calor em excesso da superfície com maior eficiência. Portanto, a diferença de temperatura entre o ar próximo à superfície e o ar imediatamente acima não é tão grande em dias com vento quanto em dias calmos. Podemos agora ver porque a parte mais quente do dia é na parte da tarde. Próximo do meio- dia, os raios solares são mais intensos. Contudo, apesar da radiação solar incidente diminuir após o meio-dia, esta ainda excede a radiação de onda longa emitida pela superfície terrestre por algum tempo. Isto leva a um balanço positivo de energia de 2 a 4 horas a mais além do meio-dia e substancialmente contribui para um atraso entre a hora do aquecimento máximo solar e a hora da temperatura máxima no abrigo meteorológico. A hora exata da temperatura máxima varia. Onde o céu no verão permanece claro toda a tarde, a máxima ocorrerá entre 15:00 e 17:00. Onde há nebulosidade ou névoa seca, ocorrerá uma a duas horas antes. Se a nebulosidade persiste ao longo do dia, as temperaturas diurnas são normalmente menores, pois as nuvens refletem grande parte da radiação solar incidente. Perto de grandes massas d’água, ar frio advectado para o continente pode modificar o ritmo da mudança de temperatura, de tal forma que a parte mais quente do dia ocorre ao meio-dia ou até mesmo antes. No inverno, as tempestades circulando ar quente para a região sul (HS) podem fazer com que as temperaturas mais altas ocorram até mesmo à noite. Quão quente o ar fica depende de fatores tais como tipo de solo, sua umidade e cobertura vegetal. Quando o solo é um mau condutor de calor (como por exemplo areia), o calor não se transfere imediatamente para as camadas mais profundas do solo. Isso permite que a temperatura da superfície aumente ainda mais, deixando mais energia disponível para aquecer o ar acima. Por outro lado, se o solo é úmido e vegetado, grande parte da energia disponível evapora água, deixando menos energia para aquecer o ar. Como você pode esperar, as temperaturas mais altas no verão acontecem sobre regiões desérticas, onde céus claros associados à baixas umidades e vegetação rala permite que a superfície e o ar acima aqueçam rapidamente. Onde o ar é úmido, névoa e nuvens reduzem a temperatura máxima, refletindo parte da radiação solar. Em Atlanta (úmido), a temperatura média para o mês de julho é de 30,5oC. Contrastantemente, Phoenix (seco), na mesma latiitude, tem uma média de 40,5oC. Resfriamento Noturno - Quando o Sol descende, sua energia se espalha sobre uma área maior, o que reduz o calor disponível para aquecer o solo. Em um certo horário no fim da tarde ou princípio da noite, a superfície terrestre e o ar acima passam a perder mais energia do que recebem (Fig. 3.2); logo, eles passam a se resfriar. Ambos a superfície e o ar acima se resfriam irradiando energia infravermelha, um processo chamado de resfriamento radiativo. O solo, que tem uma emissividade bem maior que o ar, se resfria mais rapidamente. Consequentemente, logo após o pôr do Sol, a superfície terrestre está um pouco mais fria que o ar diretamente acima. Este passa a transferir energia por condução para a superfície, que por sua vez irradia para o espaço. Ao longo da noite, o solo e o ar em contacto continuam a se resfriar mais rapidamente que o ar um a dois metros acima. O ar mais quente acima trasfere algum calor para baixo, um processo que é lento devido a baixa condutividade termal do ar. Por isso, no final da noite e início da manhã, o ar mais frio está próximo ao solo, com ar um pouco mais quente acima. Este aumento da temperatura do ar pouco acima do solo é conhecido como inversão radiativa pois se forma principalmente por resfriamento radiativo da superfície. Como inversões radiativas ocorrem na maioria das noites claras, também sãochamadas de inversões noturnas. Ar Frio Próximo à Superfície - Uma forte inversão radiativa ocorre quando o ar próximo à superfície é muito mais frio do que o ar acima. Condições ideais para uma forte inversão e, portanto, temperaturas noturnas muito baixas existem quando o ar está calmo, a noite é longa, e o ar está razoavelmente seco e sem nebulosidade. Vamos examinar estes ingredientes um por um. Uma noite calma é essencial para que tenhamos uma inversão radiativa forte porque uma leve brisa tende a misturar o ar frio com o quente pouco acima. Esta mistura, junto com o resfriamento do ar mais quente ao entrar em contato com a superfície fria, gera um perfil vertical de temperatura que é quase isotérmico (temperatura constante) em uma camada de alguns metros de espessura. Na ausência de vento, o ar frio mais denso não se mistura prontamente com o ar quente menos denso acima, e a inversão se desenvolve com maior intensidade, como mostra a Fig. 3.3. Uma noite longa também contribui para uma forte inversão. Geralmente, quanto mais longa a noite, maior o tempo de resfriamento radiativo e maiores são as chances do ar próximo ao solo ser muito mais frio que o ar acima. Conseqüentemente, noites de inverno oferecem as melhores condições para uma forte inversão radiativa, quando os demais fatores são mantidos constantes. Finalmente, inversões radiativas são mais prováveis com céu claro e ar seco. Sob essas condições, o solo é capaz de irradiar sua energia para o espaço e portanto se resfria mais rapidamente. Entretanto, com céu nublado e ar úmido, grande parte da energia infravermelha é absorvida e reirradiada para a superfície, retardando a taxa de resfriamento. Também, em noites úmidas, condensação na forma de neblina ou orvalho irá liberar calor latente, que esquenta o ar. Portanto, inversões radiativas podem ocorrer em qualquer noite. Mas, durante as longas noites de inverno, quando o ar está calmo, sem nebulosidade, e relativamente seco, essas inversões podem se tornar fortes e profundas. Agora já deve estar aparente que quão frio o ar noturno fica depende primeiramente da duração da noite, do conteúdo de vapor d'água no ar, nebulosidade e do vento. Apesar do vento poder inicialmente trazer ar frio para uma região fria, as noites mais frias geralmente ocorrem quando o ar está relativamente calmo e claro. Olhe novamente para a Fig.3.2 e veja que a temperatura mais baixa em qualquer dia é geralmente observada próximo ao nascer do Sol. Contudo, o resfriamento do solo e do ar à superfície pode continuar além do nascer do Sol, por uns trinta minutos, enquanto a energia emitida no infravermelho exceder à energia solar recebida. Isto acontece porque a luz do Sol de manhã cedo passa por uma camada espessa da atmosfera e atinge o solo com um ângulo muito baixo. Conseqüentemente, a energia do Sol não aquece efetivamente o solo. O aquecimento do solo pode ser ainda mais reduzido quando o solo está bastante úmido e a energia disponível é usada para evaporar água. Logo, a temperatura mínima pode ocorrer pouco após o nascer do Sol. Ar frio e denso vagarosamente se move colina abaixo durante a noite e conseqüentemente se aloja em planícies e vales. Por isso, estes últimos são mais frios que as colinas a volta. (veja Fig. 3.4.) Nas latitudes médias, essas colinas mais quentes, chamadas de cinturões termicos (thermal belts), tem menor probabilidade de ocorrência de temperaturas negativas. Isto faz com que os fazendeiros plantem nestas colinas aquelas árvores que não sobreviveriam às temperaturas baixas dos vales. No vale, o ar denso e frio não é capaz de ascender. Fumaça e outros poluentes concentrados neste ar pesado restringem a visibilidade. Portanto, no vale não somente é mais frio, mas freqüentemente também é mais poluído do que as montanhas a volta. Mesmo quando a terra não tem inclinação tão íngrime, o ar frio se põe nas áreas mais baixas, como em rios e pântanos. Como os vales úmidos são áreas ricas para a agricultura, esta drenagem de ar frio força os produtores a procurar proteção para suas plantações. Proteção de Culturas contra o ar Frio Noturno- Em noites frias, muitas plantas podem ser danificadas pelas baixas temperaturas. Para proteger pequenas plantas, cubra-as com um lençol ou uma lona de plástico. Isto impede que o calor do solo seja irradiado para as redondezas. Se a sua preocupação é com plantas e flores no jardim durante épocas firas, simplesmente embrulhe-as em plástico ou cubra cada com um copo de papel. Árvores frutíferas estão particularmente vulnerável ao frio durante a primavera, quando já estão florescendo. A proteção de tais árvores representa um sério problema para o produtor. Uma vez que a temperatura mínima em uma noite clara e calma ocorre próximo à superfície, os galhos mais baixos de uma árvore são os mais susceptíveis a danos. Portanto, o aumento da temperatura do ar próximo ao solo pode prevenir isto. Uma forma de fazermos isto é usando aquecedores de horta, que aquecem o ar em volta gerando correntes de convecção próximo ao solo. (veja Fig. 3.5.) Outro modo de proteger as árvores é misturar o ar frio com o ar mais quente acima, aumentando portanto a temperatura do ar próximo à superfície. Tal mistura pode ser conseguida usando ventiladores (Fig. 3.6), que são hélices que lembram as de avião. Fazendeiros que não tenham a seus próprios ventiladores podem alugá-los na forma de helicópteros, que apesar de serem efetivos nesta mistura, são onerosos. Se houver água suficiente disponível, as árvores podem ser protegidas por irrigação. Em noites muito frias, a horta pode ser alagada. Devido à alta capacidade térmica da água, ela se resfriará mais lentamente que o solo seco. Conseqüentemente a superfície não se tornará tão fria quanto se estivesse seca. Além disso, o solo úmido tem maior condutividade térmica que o solo seco. Por isso, no solo úmido, calor é conduzido para a superfície a partir das subcamadas mais rapidamente, o que ajuda a manter a superfície mais quente. Até agora, nós discutimos como proteger árvores contra o ar frio durante uma inversão radiativa. Produtores normalmente enfrentam outro problema com o resfriamento noturno. Por exemplo, quando ar com temperatura negativa é advectado para uma região, o ar mais frio não se encontra na superfície; o ar realmente se torna mais frio com a altura. Esta condição é conhecida como congelamento ou geada de advecção. A ocorrência de um caso simples deste tipo de geada na Califórnia ou na Flórida pode causar prejuízos de milhões de dólares às culturas cítricas. Proteger uma horta do ar frio advectado pelo vento pode ser um problema. Ventiladores não ajudariam pois eles somente misturariam o ar frio à superfície com o ar ainda mais frio acima. Aquecedores de horta e irrigação são de pouco valor pois somente protegeriam os galhos próximos ao solo. Contudo, há uma forma de proteção que pode funcionar: um sistema de irrigação de horta pode ser ligado de forma a emitir um fino jato d'água. No ar frio, a água congela sobre os galhos, cobrindo-os com uma fina camada de gelo. Enquanto o jato for emitido, o calor latente - liberado quando a água congela - mantém a temperatura do gelo à 0oC. O gelo age como uma proteção às culturas, mantendo os fruto e flores à temperaturas mais altas do que aquelas que causariam danos. Cuidados precisam ser tomados uma vez que muito gelo poderia quebrar os galhos. O fruto pode ser salvo do ar frio, enquanto que a árvore propriamente dita pode ser estragada por excesso de peso deste tipo de proteção. Os Controladores da Temperatura Os principais fatores que causam variações na temperatura de um lugar para outro são chamados de controladores datemperatura. No capítulo anterior, vimos que o maior fator na determinação da temperatura é a quantidade de radiação solar que chega à superfície. Isto, obviamente, é determinado pelo comprimento do dia e pela intensidade da radiação solar incidente. Ambos os fatores são função da latitude, logo a latitude é considerada um importante controlador da temperatura. Os principais controladores são: 1. latitude 2. terra e água 3. correntes oceânicas 4. altitude Podemos ter uma idéia melhor destes fatores examinando as Figs. 3.7 e 3.8, que mostra a média mensal de temperatura no mundo para os meses de janeiro e julho. As linhas no mapa são isotermas - linhas que ligam lugares que tem a mesma temperatura. Como a temperatura do ar geralmente diminui com a altura, cidades no alto de montanhas são muito mais frias do que ao nível do mar. Conseqüentemente, as isotermas nas Figs. 3.7 e 3.8 são corrigidas para o mesmo nível (nível do mar), adicionando a cada estação uma correção que corresponderia a uma média do gradiente vertical de temperatura. As Figuras 3.7 e 3.8 mostram a importância da latitude sobre a temperatura. Note que, em média, as temperaturas decrescem na direção dos pólos a partir dos trópicos, tanto em janeiro como em julho. Contudo, devido a maior variação na radiação solar entre as latitudes baixas e altas no inverno, as isotermas em janeiro estão mais apertadas (um maior gradiente) do que em julho no hemisfério norte. No hemisfério sul ocorre exatamente o inverso, sendo o maior gradiente no mês de julho. Isto quer dizer que se você viajar de Manaus para Porto Alegre em julho deve haver maior variação de temperatura do que em janeiro. Note também nas Figs. 3.7 e 3.8 que as isotermas não seguem horizontalmente; ao invés disso, elas se inclinam em muitos lugares, especialmente ao se aproximarem de uma fronteira terra-mar. No mapa de janeiro, as temperaturas são muito mais baixas no meio dos continentes no hemisfério norte do que próximo do oceano na mesma latitude; no mapa de julho, ocorre o inverso. A razão para estas variações de temperatura pode ser atribuída ao aquecimento diferenciado entre terra e água. Em primeiro lugar, a energia solar que chega ao solo só é absorvida por uma fina camada; chegando no mar, penetra mais fundo. Como a água pode circular, esta distribui o calor por uma camada muito mais profunda. Além disso, grande parte da energia que atinge a água é usada para evaporá-la ao invés de aquece-la. Outra razão importante para o contraste de temperatura é que a água tem um calor específico mais alto que a terra. O calor específico de uma substância é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de um grama de uma substância em um grau centígrado. É necessário muito mais calor (aproximadamente 5 vezes mais) para aumentar a temperatura de uma dada quantidade de água em um grau centígrado do que para aquecer a mesma quantidade de solo. Conseqüentemente, a água tem um calor específico muito mais alto do que qualquer dos componentes do solo. A água não somente se aquece mais devagar que a terra, mas também se resfria mais lentamente, então os oceanos funcionam como um enorme reservatório de calor. Logo, as temperaturas no meio do oceano mudam pouco do inverno para o verão comparado com uma variação muito maior no meio dos continentes. Ao longo do litoral, as correntes oceânicas geralmente influenciam na temperatura do ar. Por exemplo, ao longo da costa leste norte-americana, correntes marítimas quentes transportam água quente para o norte, enquanto que ao longo da costa oeste, elas transportam água fria em direção ao equador. Algumas áreas litorâneas também são influenciadas pela ressurgência, que traz água ainda mais fria para a superfície. (Ver Capítulo 7) Até mesmo lagos de grandes proporções podem vir a modificar a temperatura à sua margem. No verão, os Grandes Lagos norte-americanos permanecem mais frios que a terra. Conseqüentemente, brisas refrescantes sopram terra adentro, aliviando as altas temperaturas. Quando chega o inverno, a água se resfria mais lentamente que a terra. A primeira massa de ar polar vinda do Canadá é modificada ao cruzar os Grandes Lagos, e portanto a primeira geada é atrasada na margem leste do Lago Michigan. Dados de Temperatura do Ar Na seção anterior consideramos como a temperatura do ar varia diariamente de um lugar para outro. Vamos agora enfocar as maneiras como os dados de temperatura são organizados e usados. Temperaturas Diária, Mensal e Anual - A maior variação na temperatura diária ocorre na superfície da Terra. De fato, a diferença entre as temperaturas máxima e mínima diária - chamada de amplitude térmica diária (diurna) - é maior perto do solo e se torna progressivamente menor ao subirmos. Esta variação diária da temperatura também é consideravelmente maior em dias claros do que em dias nublados. As maiores amplitudes térmicas diárias ocorrem nos desertos, onde o ar é bastante seco, normalmente sem nuvens e onde tem pouco vapor d'água para reirradiar energia de volta para a superfície. De dia, o céu claro permite que a energia solar aqueça rapidamente a superfície, que por sua vez aquece o ar em contato até temperaturas por vezes superiores à 35oC. À noite, o solo se resfria rapidamente irradiando energia infravermelha para o espaço, e a temperatura mínima nestas regiões caem ocasionalmente abaixo de 5oC, implicando em uma amplitude térmica diária de mais de 30oC. Em regiões úmidas, a amplitude térmica diurna é normalmente pequena. Aqui, a névoa e as nuvens diminuem a temperatura máxima ao impedirem parte da radiação solar de chegar a superfície. À noite, o ar úmido mantém a temperatura máxima alta, absorvendo a radiação emitida pela superfície e reirradiando parte para a mesma. Cidades próximas à grandes massas d'água têm menor amplitude térmica diurna do que cidades mais continentais. Isto é causado em parte pelo vapor d'água adicional no ar e pelo fato da água se aquecer e se resfriar bem mais devagar que a terra. A média da temperatura mais alta e da temperatura mais baixa em um período de 24 horas é conhecida como temperatura média diária (EUA). A média da temperatura média diária para uma data particular em um período de 30 anos nos dá a temperatura normal para aquela data. A temperatura média para cada mês é a média das temperaturas médias diárias daquele mês. Em qualquer localidade, a diferença entre a temperatura média dos meses mais quente e mais frio é chamada de amplitude térmica anual. Normalmente as maiores amplitudes anuais ocorrem sobre terra, as menores sobre água. Logo, cidades continentais têm amplitudes anuais maiores que cidades litorâneas. Perto do equador (devido à pequena variação da duração do dia e ao fato do Sol estar sempre alto ao meio-dia), as amplitudes térmicas anuais são pequenas, geralmente menos de 3oC. Nas latitudes médias e altas, a grande variação sazonal da quantidade de radiação solar que chega à superfície causa grande contraste de temperatura entre inverno e verão. Yakutsk, no nordeste da Sibéria, próximo ao círculo polar ártico, tem uma amplitude térmica anual extremamente alta de 62oC. A temperatura média de qualquer estação meteorológica para o ano inteiro é a temperatura média anual, que representa a média das doze temperaturas médias mensais. Quando duas cidades têm a mesma temperatura média anual, pode parecer que ambas têm temperaturas similares ao longo do ano. Contudo, este geralmente não é o caso. Por exemplo, São Francisco, Califórnia, e Richmond, Virgínia, ambas nos EUA, estão na mesma latitude (37oN). Ambas têm durações dos dias similares durante o ano; ambas têm a mesma temperatura média anual (14oC).Aqui acabam as similaridades. As diferenças de temperatura entre as duas cidades são óbvias para qualquer um que tenha viajado para São Francisco durante o verão com uma mala cheia de roupas para o verão de Richmond. A figura 3.9 resume as temperaturas médias para São Francisco e Richmond. Note que o mês mais frio para ambas cidades é janeiro. Apesar de janeiro em Richmond ter uma média de somente 8oC menor que o mesmo mês em São Francisco, as pessoas em Richmond acordam em janeiro com uma temperatura mínima média de -6oC, que é bem mais frio do que a menor temperatura já registrada em São Francisco. Árvores que vivem bem em São Francisco teriam dificuldade de sobreviver ao inverno de Richmond. Logo, apesar de São Francisco e Richmond terem a mesma temperatura média anual, o comportamento e a amplitude da temperatura diferem muito. O Uso de Dados de Temperatura - Uma aplicação de temperaturas diurnas desenvolvida por engenheiros para estimar a necessidade de energia é o grau-dia de aquecimento. O grau-dia de aquecimento é baseado na hipótese de que as pessoas começarão à usar seus aqucedores quando a temperatura cair abaixo de 18oC. Logo, graus-dia de aquecimento são determinados pela diferença entre a temperatura média do dia e 18oC. Logo, se a temperatura média de um dia é 17oC, haveria um grau-dia de aquecimento neste dia. Em dias onde a temperatura média é maior que 18oC, não há graus-dia de aquecimento. Logo, quanto menor a temperatura média diária, mais graus-dia de aquecimento e maior será o consumo de combustível neste dia. Quando o número de graus-dia de aquecimento é calculado para um ano inteiro, a quantidade de energia para aquecimento para qualquer localidade pode ser estimada. A figura 3.10 mostra a média anual de graus-dia de aquecimento em vários lugares nos EUA. Quando a temperatura média diária sobe acima de 18oC, as pessoas passam a resfriar seu ambiente interno. Conseqüentemente, um índice, chamado de grau-dia de resfriamento, é usado para estimar a energia necessária para resfriar o ar até um nível confortável. A previsão de temperatura média diária é convertida para graus-dia de resfriamento subtraindo-se 18oC da temperatura média. O valor remanescente é o número de graus- dia de resfriamento para tal dia. Por exemplo, um dia com uma temperatura média de 21oC corresponderia à três graus-dia de resfriamento. Valores altos indicam tempo quente e produção de energia elevada para resfriamento. (Veja Fig. 3.11.) Saber o número de graus-dia de resfriamento para uma região possibilita ao engenheiro planejar o tamanho e o tipo de equipamento que deve ser instalado. Também, a previsão de graus-dia de resfriamento durante o verão dá às companhias de energia uma maneira de predizer a demanda de energia durante períodos de pico. Uma composição de graus-dia de aquecimento e de resfriamento daria uma indicação prática da demanda de energia durante o ano. Fazendeiros usam um índice, chamado de graus-dia de crescimento, como um guia para plantar e para determinar as datas aproximadas de colheita. Um grau-dia de crescimento para uma colheita particular é definido como um dia quando a temperatura média esteve um grau acima da temperatura base (também conhecida como zero da vegetação) - a temperatura mínima necessária para o crescimento daquela cultura. Para ervilhas, por exemplo, a temperatura base é de 4oC. Em um dia de verão em Iowa (EUA), a temperatura média pode ser 27oC. Da tabela 3.1, podemos ver que, neste dia, o milho acumularia 17 graus-dia de crescimento. Teoricamente, o milho pode ser colhido quando acumula 1250 graus-dia de crescimento. Logo, se o milho é plantado no começo de outubro e cada dia daí por diante tem em média 11 graus-dia de crescimento, o milho estaria pronto para a colheita aproximadamente 110 dias depois, ou seja, no meio de janeiro. Embora umidade e outras condições não sejam levados em conta, graus-dia de crescimento servem como um útil guia na previsão aproximada da maturidade das culturas. Temperatura do Ar e Conforto Humano Provavelmente todo mundo já notou que a mesma temperatura pode ser sentida diferentemente em ocasiões diferentes. Por exemplo, uma temperatura de 20oC em um dia claro, sem vento, em Nova Iorque, depois de um longo inverno, é uma temperatura agradável. Contudo, esta mesma temperatura em uma tarde de verão com vento pode ser desagradavelmente fria. A percepção de temperatura do corpo humano obviamente muda com as diferentes condições atmosféricas. A razão para estas mudanças está relacionada com como nós trocamos calor com o meio ambiente. O corpo estabiliza sua temperatura primeiramente convertendo comida em calor (metabolismo). Para manter uma temperatura constante, o calor produzido e absorvido pelo corpo tem que ser igual ao calor que ele perde para o ambiente. Há, portanto, uma troca constante de calor - especialmente na superfície da pele - entre o corpo e suas redondezas. Uma maneira pela qual o corpo perde calor é emitindo energia infravermelha. Mas nós não somente emitimos energia radiante, nós também absorvemos. Outra maneira que o corpo perde e ganha calor é por condução e convecção, que transfere calor de e para o corpo pelo movimento do ar. Em um dia frio, uma fina camada de moléculas de ar quente se forma próximo à pele, protegendo-a do ar mais frio à sua volta e da rápida transferência de calor. Logo, em um dia frio, sem vento, a temperatura que percebemos - chamada de temperatura sensível - é normalmente maior do que um termômetro pode indicar. Uma vez que o vento começa a soprar, a camada isolante de ar quente desaparece, e o calor é rapidamente removido da pele pelo constante bombardeamento de ar frio. Quando todos os demais fatores são iguais, quanto mais rápido o vento, maior a perda de calor, e mais frio sentiremos. Quão frio o vento nos faz sentir é geralmente indicado pelo fator de sensação térmica (wind-chill factor). As tabelas de sensação térmica (Tabelas 3.2 e 3.3) traduzem a habilidade do ar em tirar calor do corpo humano com o vento (seu poder de resfriamento) em um índice térmico equivalente a temperatura sem vento. Por exemplo, uma temperatura de -7oC, com um vento de 26 Kts, produziria a temperatura equivalente de -28oC. Isto quer dizer que a pele exposta perderia em um minuto tanto calor com temperatura de -7oC e vento de 26 Kts quanto sem vento com uma temperatura de -28oC. É claro, quanto frio sentimos depende de um número de fatores, incluindo o tipo de roupa que usamos e a quantidade de pele exposta diretamente ao ar frio. Ventos fortes, em temperatura negativas, podem retirar calor da pele exposta tão rapidamente que a pele pode realmete congelar. O congelamento da pele ocorre geralmente primeiro nas extremidades do corpo pois estão mais afastadas da fonte de calor do corpo. Em dias frios, o corpo molhado pode ser um fator que influi em quanto frio sentimos. Em um dia frio, com chuva (chuvisco, ou mesmo neblina) normalmente sentimos mais frio do que em um dia seco pois água sobre pele exposta conduz calor para longe do corpo melhor do que o ar. De fato, com tempo frio, úmido e chuvoso, uma pessoa pode realmente perder calor mais rapidamente do que o corpo pode produzir. Isto pode acontecer mesmo em temperaturas não tão frias, em torno de 10oC. A rápida perda de calor pelo corpo pode baixar a temperatura do corpo abaixo do nível normal e trazer uma condição conhecida como hipotermia - o rápido e progressivo colapso físico e mental que acompanha o resfriamento do corpo humano. O primeiro sintoma de hipotermia é o cansaço. Se a exposição continua, a razão e a habilidade mental da pessoa começam a desaparecer. Exposição prolongada, principalmenteà temperaturas próximas ou abaixo de zero, produzem colapso e morte quando a temperatura do corpo cai à 26oC. Com tempo frio, o calor é mais facilmente dissipado pela pele. Para contrabalançar esta rápida perda de calor, as veias do corpo se contraem, diminuindo o fluxo de sangue para as camadas externas da pele. Com tempo quente, as veias dilatam-se, permitindo maior perda de calor para o ambiente. Além disso, transpiramos. Com a evaporação, a pele se resfria. Quando o ar contém muito vapor d'água e está próximo da saturação, o suor não evapora imediatamente da pele. Menos evaporação causa sensação de calor, mais do que realmente está, e as pessoas começam a reclamar do calor e da umidade. (Nossa sensação em tempo quente será melhor enfocada no capítulo 4, depois de examinarmos os conceitos de umidade relativa e temperatura do bulbo úmido.) Medindo a Temperatura do Ar Os termômetros foram desenvolvidos no final do século XVI para medir a temperatura do ar. Os termômetros mais usados para medir a temperatura do ar à superfície são os termômetros de líquido em vidro, pois são fáceis de ler e baratos para construir. Estes termômetros têm um bulbo de vidro preso à um tubo selado e graduado de aproximadamente 25 cm. Um líquido no bulbo (geralmente mercúrio ou álcool colorido de vermelho) está livre para se mover pelo tubo. Quando a temperatura aumenta, o líquido expande e sobe no tubo. Quando a temperatura diminui, o líquido se contrai e sai do tubo para o bulbo. Logo, o comprimento de líquido no tubo representa a temperatura do ar. Como a coluna é muito estreita, uma pequena mudança na temperatura vai se mostrar como uma mudança relativamente grande na altura da coluna de líquido. Termômetros de máxima e de mínima são termômetros de líquido em vidro usados exclusivamente para determinar as temperaturas máxima e mínima de um dia. O termômetro de máxima se parece com qualquer outro termômetro de líquido em vidro, com uma exceção: tem um estrangulamento na coluna próximo ao bulbo (Fig. 3.12). Quando a temperatura do ar aumenta, o mercúrio se expande e passa pelo estrangulamento, até que ocorra a temperatura máxima. Contudo, quando a temperatura do ar começa a cair, o estrangulamento impede que o mercúrio volte para o bulbo. Logo, o final da coluna estacionária de mercúrio indica a temperatura máxima do dia. O mercúrio ficará nesta posição até que ou o ar se aqueça mais do que aquela temperatura ou o termômetro seja zerado, balançando-o. Normalmente, isto basta para que o mercúrio volte para o bulbo através do estrangulamento até que a coluna indique a temperatura presente. Um termômetro de mínima mede a menor temperatura durante um dado período. A maioria dos termômetros de mínima usam álcool, uma vez que este se congela à uma temperatura muito menor que o mercúrio. O termômetro de mínima é similar aos demais termômetros de líquido em vidro, exceto pelo fato de conter um pequeno halter na coluna, de aproximadamente 2,5 cm (Fig. 3.13). Este está livre para escorregar dentro da coluna de álcool. Ele não pode se mover para fora do líquido pois a tensão no fim da coluna (o menisco) não deixa. Um termômetro de mínima é mantido na horizontal. Quando a temperatura diminui, o líquido se contrai e volta para o bulbo, trazendo consigo o halter indicador. Quando ela para de cair, o líquido e o indicador param de se mover. Quando o ar se aquece, o álcool se expande e se move livremente passando pelo halter que fica estacionário, registrando portanto a temperatura mínima em sua extremidade superior. Para zerar um termômetro de mínima, simplesmente vire-o ao contrário. Isto deixa o halter escorregar livremente até o alto da coluna de álcool, que está indicando a temperatura do ar naquele instante. O termômetro é então posto novamente na horizontal, de tal forma que o halter se moverá em direção ao bulbo quando a temperatura do ar diminuir. Medidas de temperatura com alta acurácia podem ser feitas com termômetros elétricos, como o termistor e o termômetro de resistência elétrica. Ambos estes instrumentos não medem diretamente a temperatura do ar, mas a resistência elétrica de algum material. Uma vez que a resistência de um certo material muda com a temperatura, um medidor pode medir a resistência e ser calibrado para representar a temperatura do ar. A temperatura do ar também pode ser obtida com instrumentos chamados de sensores infravermelhos, ou radiômetros. Radiômetros não medem temperatura diretamente; ao invés, eles medem a radiação emitida (geralmente infravermelha). Medindo ambos a intensidade da energia radiante e o comprimento de onda de emissão máxima de um gás em particular (ou vapor d'água ou dióxido de carbono), radiômetros em satélites podem agora estimar a temperatura do ar em níveis selecionados da atmosfera. Um termômetro bimetálico consiste em dois pedaços de metais diferentes (normalmente ferro e cobre/zinco) postos juntos para formar uma tira. Com mudança da temperatura, um metal se expande mais que o outro, fazendo com que a tira se envergue. Isto é amplificado e calibrado para mostrar a temperatura. O termômetro bimetálico é normalmente o elemento sensível do termógrafo, um instrumento que mede e grava a temperatura a cada instante. (Veja Fig. 3.14.) Termômetros e outros instrumentos são normalmente postos dentro de um abrigo meteorológico (Fig. 3.15). O abrigo cerca os instrumentos completamente, protegendo-os da chuva, neve, vento e da radiação direta do Sol. É pintado de branco para refletir a radiação solar e tem buracos dos lados de tal forma que o ar possa entrar. Isto ajuda a manter o ar dentro do abrigo à mesma temperatura que o ar fora. Os termômetros dentro de um abrigo são postos a aproximadamente 1,5 metro do solo. Como a temperatura do ar varia consideravelmente acima de diferentes tipos de superfícies, os abrigos são normalmente postos sobre gramados para garantir que a temperatura do ar seja medida à mesma altura sobre o mesmo tipo de superfície. Infelizmente, alguns abrigos são postos sobre asfalto, outros sobre concreto, enquanto outros são postos no alto de prédios altos, criando dificuldades para compararmos dados de temperatura do ar de lugares diferentes. Aliás, se a temperatura máxima ou a mínima parecem suspeitas na sua área, diferentes de cidades próximas, tente descobrir aonde o abrigo meteorológico se situa. Resumo A variação diária da temperatura do ar próximo à superfície é controlada principalmente pela entrada de energia proveniente do Sol e pela saída de energia emitida pela Terra no infravermelho. Em um dia claro e calmo, o ar à superfície se aquece, enquanto a energia que chega à superfície for maior do que a emitida pela mesma. O ar à superfície se resfria a noite, enquanto a energia que sai da Terra for maior do que a incidente. Como o solo se resfria a noite mais rapidamente do que o ar acima, o ar mais frio geralmente se encontra à superfície, formando uma inversão radiativa. Quando a temperatura do ar em áreas agrícolas desce a níveis perigosos, árvores frutíferas e as demais plantações podem ser protegidas do ar frio de várias maneiras, desde a mistura do ar até a aspersão de água (simulação de chuva). A maior variação na temperatura do ar ocorre à superfície. Ambas as amplitudes térmicas diurna e anual são maiores em climas secos do que em climas úmidos. Mesmo que duas cidades tenham média anual de temperatura similares, a amplitude e extremos de suas temperaturas podem diferir muito. Dados de temperatura influenciam nossas vidas de várias formas, desde a roupa que usamos ou que levaremos em uma viagem até a predição de uso de energia e planejamento agrícola. Nós revimos alguns dosvários tipos de termômetros utilizados: de máxima, de mínima, bimetálico, elétrico, radiômetro. Aqueles feitos para medir a temperatura próximo à superfície são mantidos em abrigos meteorológicos para serem protegidos da precipitação e da luz solar direta. Termos Chave Os termos a seguir estão listados na ordem em que apareceram no texto. Defina cada um. Fazendo isso você estará revendo o material abordado neste capítulo. resfriamento radiativo temperatura média diária termômetro de máxima inversão de radiação amplitude anula de temperatura termômetro de mínima cinturão térmico temperatura média anual termômetro elétrico aquecedor de horta grau-dia de aquecimento radiômetro ventiladores grau-dia de resfriamento termômetro bimetálico congelamento grau-dia de crescimento termógrafo controladores de temperatura fator de sensação térmica abrigo meteorológico isotermas hiportemia calor específico termômetro de líquido-em-vidro amplitude diária de temperatura Questões de Revisão 1. Explique porque a hora mais quente do dia é geralmente à tarde, após o meio-dia quando os raios solares incidem mais diretamente sobre as superfícies. 2. Em um dia calmo e ensolarado, por que o ar perto do solo normalmente é mais quente do que o ar alguns metros acima? 3. Explique como a energia que chega e a energia que sai regulam a variação diária de temperatura. 4. Desenhe um perfil vertical de temperatura do ar desde o chão até uma elevação de 3 metros em dia sem nuvem e sem vento (a) à tarde (b) no início da manhã exatamente antes do sol nascer. Explique porque as curvas de temperatura são diferentes. 5. Explique como o resfriamento radiativo produz uma inversão de temperatura junto ao solo. 6. Que condições do tempo são mais favoráveis para a formação de uma noite fria e de uma forte inversão radiativa? 7. O que são cinturões térmicos? 8. Liste algumas medidas usadas pelos fazendeiros para proteger suas culturas contra o frio. Explique o princípio físico atrás de cada método. 9. Por que os ramos mais baixos das árvores são mais suscetíveis aos danos provocados por baixas temperaturas? 10.Descreva cada um dos controladores da temperatura. 11.Observe a Figura 3.7 (mapa de temperatura de Janeiro) e explique porque as isotermas se inclinam na direção sul (na direção do equador) sobre o continente no Hemisfério Norte. 12.Durante o inverno, a geada pode se formar sobre o solo quando termômetro de mínima indica uma temperatura baixa mas acima do ponto de congelamento. Por quê? 13.Por que as primeiras geadas no outono e as últimas geadas na primavera ocorrem no fundo dos vales? Por que as geadas nesta época costumam causar mais danos às plantas? 14.Explique porque a variação de temperatura é normalmente maior (a) em regiões secas do que nas úmidas e (b) em dias claros do que em dias nublados. 15.Por que as maiores variações anuais de temperatura são observadas sobre os continentes em regiões afastadas de grandes corpos d’água? 16.Duas cidades tem a mesma média anual de temperatura. Explique porque este fato não significa que suas temperaturas durante o ano sejam similares. 17.O que é grau-dia de aquecimento? Grau-dia de resfriamento?Como estas unidades são calculadas. 18.Durante um dia frio, calmo e ensolarado, por que nós geralmente sentimos mais calor do que o termômetro indica? 19. (a) Assuma que o vento está a 40 km/hr e que a temperatura é de 00 C. Determine a temperatura equivalente de “wind chill” pela Tabela 3.2, p. 67; (b) sob estas condições citadas, explique porque um termômetro comum mede a temperatura de 00 C. 20.Qual a sensação térmica em um dia cuja temperatura é de 350C e a umidade relativa do ar é de 80%? 21.Que condições atmosféricas podem levar a hipotermia? 22.Descreva como os seguintes termômetros medem a temperatura do ar: (a) líquido em vidro (b) bimetálico (c) elétrico (e) radiômetro Figura 3.1 – Em um dia ensolarado e calmo, o ar perto da superfície pode ficar substancialmente mais quente que o ar que está localizado a alguns metros da superfície. Figura 3.2 – A variação diurna da temperatura do ar é controlada pela energia que chega (principalmente a que vem do sol) e a energia que sai da superfície da terra. Quando a energia que chega do sol excede a energia que é liberada pela superfície (área amarela), a temperatura do ar aumenta. Quando a energia que sai excede a energia que chega (área sombreada de azul) a temperatura do ar cai. Figura 3.3 – Em uma noite clara e calma, o ar perto da superfície pode ficar bem mais frio que o ar localizado a alguns metros acima. Este aumento da temperatura do ar com o aumento da distância à superfície é chamado de inversão térmica de radiação. Figura 3.4 – Em noites claras e calmas, a permanência do ar frio no fundo dos vales, torna estes locais mais frios que as encostas das montanhas em torno. A região onde a temperatura do ar fica acima do ponto de congelamento é conhecida como cinturão térmico. Figura 3.5 – Os aquecedores mantém o ar circulando através da convecção. Figura 3.6 – Os ventiladores misturam o ar frio junto à superfície com o ar mais quente dos níveis mais altos. Tabela 1 – Alguns recordes mundiais de temperaturas máximas. Tabela 2 - Alguns recordes mundiais de temperaturas mínimas. Figura 3.7 – Temperatura média do ar ao nível do mar em janeiro (0F). Figura 3.8 – Temperatura média do ar ao nível do mar em julho (0F). Figura 3.9 – Dados de temperatura de São Francisco, Califórnia (370N) e Richmond, Virgínia (370N) – duas cidades com a mesma média anual de temperatura. Tabela 3.1 – Graus-dias de crescimento estimados para determinadas culturas até atingirem a maturação. Figura 3.10 – Total médio anual de graus- dias de aquecimento em milhares de 0F, onde o número 4 no mapa significa 4.000 (temperatura base 650 F). Figura 3.11 - Total médio anual de graus-dias de resfriamento em milhares de 0F, onde o número 1 no mapa significa 1.000 (temperatura base 650 F). Figura 3.12 – Termômetro e máxima. Figura 3.13 – Um corte do termômetro de mínima mostrando tanto a temperatura atual quando a temperatura mínima alcançada. Figura 3.14 – Termógrafo com um sensor bimetálico. Figura 3.15 – O abrigo meteorológico protege os instrumentos que ficam em seu interior dos elementos meteorológicos extremos Tabela 3.2 – Temperatura equivalente resultante do efeito do vento.
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