Introdução às Ciências Atmosféricas - Aula7

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Pressão Atmosférica e Ventos
Leonardo F. Peres
leonardo.peres@igeo.ufrj.br
METEOROLOGIA GERAL
1. Introdução
� O que gera o vento? o ar se move em resposta 
às diferenças horizontais de pressão.
� Ex. abertura de um recipiente dentro do qual 
existe vácuo - o ar se desloca da região de 
alta pressão no exterior para a região de baixa 
pressão dentro do recipiente.
� Na atmosfera, o vento se forma na tentativa de 
igualar diferenças na pressão do ar.
2. Pressão Atmosférica
� Pressão é definida como a força exercida 
sobre alguma área (N/m2).
� Pressão atmosférica pode ser pensada como o 
peso do ar que está acima de um dado nível 
na atmosfera que faz força para baixo sobre 
alguma área.
2. Pressão Atmosférica
� Na medida em que subimos na atmosfera existem cada vez 
menos moléculas de ar sobre nós; portanto a pressão do ar 
sempre diminui com o aumento da altitude.
� A nossa atmosfera está concentrada junto à superfície, 
fazendo com que a pressão atmosférica decresça com a 
altitude rapidamente no começo e mais lentamente em altas 
altitudes.
2. Pressão Atmosférica
� A variação vertical de pressão é muito maior que a 
variação horizontal.
� Na horizontal, a pressão pode mudar cerca de 10mb 
numa distância de 100km.
� Na vertical, a pressão muda cerca de 1000mb em 10-
12km.
2. Pressão Atmosférica
� Como podemos mudar a pressão de um gás?
� O ar pode se aproximadamente considerado 
como um gás ideal
� Gases ideais obedecem a lei do gás ideal: 
P = ρRT
� P = pressão exercida pelo gás
� R = constante do gás 
� ρ = densidade do gás = massa/volume
� T = Temperatura do gás
� Portanto, considerando um gás ideal, o que 
pode afetar a pressão de um gás?
2. Pressão Atmosférica
� P = ρRT
� Se T é constante, então P pode aumentar pelo 
aumento da densidade do gás
� Se a densidade diminui, a pressão P diminui.
Se forçássemos ar a entrar na coluna?
Se retirássemos ar da coluna?
2. Pressão Atmosférica
� P = ρRT.
� 2 colunas de ar idênticas sobre duas cidades 
(densidade, temperatura e pressão).
2. Pressão Atmosférica
� Suponha que a pressão do ar à superfície em ambas as 
cidades permaneça a mesma, enquanto o ar sobre a cidade 1 é
resfriado e o ar sobre a cidade 2 é aquecido:
� Cidade 1 - P ∼ T ↓ ρ ↑
� Cidade 2 - P ∼ T ↑ ρ ↓
� No ar mais denso e frio em 1, a coluna se contrai e fica mais baixa.
� No ar menos denso e quente em 2 a coluna se expande e fica mais alta.
2. Pressão Atmosférica
�Necessita-se de uma coluna menor de ar 
mais frio e denso para exercer a mesma 
pressão à superfície que uma coluna 
maior de ar quente e menos denso.
� Este conceito tem uma grande 
aplicabilidade e significância em 
Meteorologia
2. Pressão Atmosférica
� Q: Em qual local (1 ou 2), a pressão será maior?
� A pressão atmosférica decresce com a altura mais rapidamente 
em uma coluna de ar frio.
� No ar mais quente e menos denso, a pressão não decresce tão 
rapidamente com a altura, simplesmente porque se cruza com 
menos moléculas quando se atravessa a mesma distância na 
vertical.
2. Pressão Atmosférica
� Conceito importante: ar quente em altitude normalmente 
está associado com altas pressões atmosféricas e ar frio em 
altitude está associado com baixos valores de pressão 
atmosférica.
� Q: Como resultado, em 5km o ar se moverá da coluna 
fria para a coluna quente ou da coluna quente para a 
coluna fria? 
2. Pressão Atmosférica
� Q. Como resultado o que acontecerá em 500mb?
� O ar se moverá da coluna quente para a coluna 
fria devido a uma força chamada de força de 
gradiente de pressão.
3. Medindo a Pressão Atmosférica
� A unidade de pressão no S.I. é o Newton por metro quadrado.
� 1 N/m2 = 1 Pascal (Pa).
� Por causa da ordem de grandeza das variações de pressão se usa o 
hectoPascal (hPa) que é 100 vezes o valor do pascal.
� Em Meteorologia, utiliza-se também o bar como unidade de pressão. 
Como o bar é uma unidade relativamente grande, e porque as 
mudanças da pressão a superfície são geralmente pequenas, a 
unidade de pressão mais comumente usada nos mapas de tempo é o 
milibar (mb), onde 1 milibar= 1 bar/1000.
� 1mb (=bar/1000) = 1hPa (= 100 Pa) = 100 N/m2
� Uma outra unidade usada na aviação é a polegada de mercúrio (Hg).
� No nível do mar, o valor médio ou padrão para a pressão atmosférica 
é: 1013,25hPa = 1013,25mb = 29,92in.Hg = 76cm Hg 
3. Medindo a Pressão Atmosférica
�Barômetros – Instrumento que 
mede bares
� “Pressão Barométrica” – termo 
normalmente aplicado para pressão 
atmosférica porque ela é medida 
utilizando-se um barômetro.
3. Medindo a Pressão Atmosférica
� Barômetro de Mercúrio
� Barômetro de Mercúrio
– Torricelli – 1643 – tubo 
de vidro longo 
preenchido com 
mercúrio.
� A altura da coluna de 
mercúrio é uma medida 
da pressão atmosférica
3. Medindo a Pressão Atmosférica
� Barômetro Aneróide
� Barômetro Aneróide – O tipo 
mais comum de barômetro 
doméstico
� não contém nenhum fluido.
� caixa metálica chamada de 
cápsula aneróide.
� A cápsula é completamente 
fechada (selada) e o ar é
removido de dentro dela
� pequenas mudanças na 
pressão exterior do ar causam 
expansão/contração da 
cápsula.
3. Medindo a Pressão Atmosférica
� Altímetro e Barógrafo – tipos de barômetros 
aneróides
� Altímetro – medem 
pressão, mas indicam 
altitude.
� Utilizado em 
aeronaves.
� Barógrafo – registram 
em papel a variação 
contínua da pressão 
atmosférica.
4. Cartas de Pressão Atmosférica
�Mapas da pressão à superfície são 
bastante importantes:
� Fornecem as posições de altas e baixas.
� Podem fornecer informação sobre a direção e 
intensidade dos ventos de superfície.
� Como uma carta de pressão é criada?
� Medidas de estações meteorológicas referente 
a um determinado local e altitude.
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Correções de Altitude
� deve ser feita de modo que uma leitura de barômetro 
feita numa determinada altitude possa ser comparada 
com a leitura realizada em outro local
� Próximo a superfície a pressão diminui em média 
cerca de 1 mb a cada 10 m.
� Pressão ao nível médio do mar – leitura ajustada. O 
tamanho da correção depende de quanto alto a 
estação está acima do nível médio do ar.
� Isóbaras
� Linhas conectando pontos de igual pressão
� Traçadas a cada 4mb
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Gerando cartas de pressão/mapas de tempo à
superfície
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Gerando cartas de pressão/mapas de tempo à
superfície
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Como a pressão é representada acima da superfície?
� Lembrando que a altura da tropopausa varia com a 
latitude:
� Altura da tropopausa é proporcional a temperatura 
troposférica média.
� Mais alta próxima ao equador – troposfera mais quente.
� Mais baixa nos pólos – troposfera mais fria.
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Q: como seria o padrão de pressão sobre uma carta de altura 
constante, por exemplo se Z = 5km??? A pressão diminuiria do 
equador em direção aos pólos.
� Este tipo de carta não é muito utilizada em Meteorologia.
� Entretanto cartas de pressão constante são bastante utilizadas 
(Cartas de 1000hPa, Cartas de 850hPa, Cartas de 700hPa,...).
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Cartas Isobáricas
� Lembrando que a altura da 
tropopausa é proporcional a 
temperatura troposférica
média.
� Por causa das mudanças na 
densidade do ar, uma 
superfície de pressão 
constante (500 mb) é
localizada em alturas maiores 
numa atmosfera mais quente 
e menos densa próxima dos 
trópicos e em alturas menores 
numa atmosfera mais fria e 
mais densa próxima dos pólos
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Portanto, numa carta isobárica(e.g., 500mb) nós 
traçamos isoípsas (linhas de igual altura acima do 
nível do mar).
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Altas altitudes estão posicionadas em direção ao 
equador onde é mais quente.
� Baixas altitudes estão posicionadas em direção aos 
pólos onde é mais frio.
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Podemos observar um padrão típico de onda nas 
linhas de alturas com:
� Cristas - RIDGE.
� Cavado (vales) - TROUGH.
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Podemos observar um padrão típico de onda nas 
linhas de alturas com:
� Cristas - RIDGE.
� Cavado (vales) - TROUGH.
4. Cartas de Pressão Atmosférica
� Q: Qual tipo de ar em altitude está associado com 
uma crista, ar quente ou ar frio?
� Q: Qual tipo de ar em altitude está associado com um 
cavado, ar quente ou ar frio?
� Qual é a relação entre cristas e cavados em altos 
níveis e a temperatura da superfície?
5. Geração de Vento
� O que faz com que haja vento?
� O vento é o resultado de diferentes forças atuando 
sobre uma parcela de ar, sumarizada pela segunda lei 
de Newton:
� F=ma
� F = Força (empurrando ou puxando). 
� m = massa do objeto (parcela). 
� a = aceleração resultante.
� Se houver somente uma força, a aceleração líquida do 
vento será:
� anet=F1/m
� Entretanto, se existirem outras forças envolvidas, a 
aceleração líquida será:
� anet=1/m(F1 + F2 + F3 +.... Fn )
5. Geração de Vento
�Q: Que forças são estas na 
atmosfera?
�Força do gradiente de pressão.
�Força de Coriolis.
�Força centrípeta.
�Força de atrito.
6. Força Gradiente de pressão
�Quanto maior a diferença de pressão, 
maior será a força e mais rápido se 
moverá a água.
6. Força Gradiente de pressão
�O gradiente de pressão pode ser definido 
como a mudança de pressão sobre uma 
dada distância, i.e.,:
� Gradiente de Pressão = distância
PP
distância
P baixaalta −
=
∆
6. Força Gradiente de pressão
� A magnitude do gradiente 
de pressão pode ser 
obtido pela observação do 
espaçamento das 
isóbaras:
� Se as isóbaras são muito 
próximas, o gradiente de 
pressão é grande.
� Se as isóbaras são muito 
distantes, o gradiente de 
pressão é pequeno.
6. Força Gradiente de pressão
� A força gradiente de pressão possui uma 
magnitude e uma direção:
� direção - a força gradiente de pressão é SEMPRE 
direcionada das altas para as baixas pressões e 
SEMPRE perpendicular as isóbaras.
� magnitude - é determinada pelo gradiente de 
pressão.
6. Força Gradiente de pressão
� Q: Qual é a direção da 
força gradiente de 
pressão próxima da área 
de baixa pressão?
� Q: Qual é a direção da 
força gradiente de 
pressão próxima da área 
de alta pressão?
� Q: A magnitude do 
gradiente de pressão é
maior próxima da área de 
alta ou de baixa pressão?
6. Força Gradiente de pressão
�Q: Em que local a a força gradiente de 
pressão é maior?
�Q: Em que local a a força gradiente de 
pressão é menor?
6. Força Gradiente de pressão
� Q: Em que local a a força gradiente de pressão 
é maior, em A ou B?
6. Força Gradiente de pressão
� Revisitando a distribuição latitudinal da pressão em 
altos níveis. Qual seria a direção dos ventos em altos 
níveis devido a força gradiente de pressão?
6. Força Gradiente de pressão
� Qual é a direção dos ventos em altos níveis hoje?
6. Força Gradiente de pressão
� A direção do vento é sempre diretamente das altas 
para as baixas pressões?
� O que causa a discrepância?
� O movimento do ar não é controlado somente pelas 
diferenças de pressão mas também por outras forças.
� Se a FGP fosse a única a atuar sobre o ar, nós 
sempre veríamos o vento se dirigindo diretamente das 
altas para as baixas pressões.
� No entanto, assim que o ar começa a se deslocar o 
vento é desviado de seu curso pela Força de 
Coriolis.
7. Força de Coriolis
� Uma força aparente devido a rotação da Terra.
� O ar começa a se mover de uma alta para uma 
baixa pressão, ele defletido (para a direita no 
H.N e para a esquerda no H.S.) pela força de 
coriolis.
� A medida que a velocidade aumenta, a deflexão 
devido a força de coriolis aumenta.
� A deflexão é zero no equador e máxima nos 
pólos.
7. Força de Coriolis
�Objetos movendo em qualquer direção 
(N,S,E,W) são defletidos para a direita do 
seu caminho/curso no H.N e para a 
esquerda no H.S.
� A magnitude da deflexão depende da:
�A rotação da Terra
�A latitude
�A velocidade do objeto
7. Força de Coriolis
� A força de coriolis é uma força "aparente" 
que surge somente devido ao fato da 
Terra estar rodando. Portanto, ela muda 
somente a direção da parcela, ela NÃO 
AFETA a velocidade.
� A força de Coriolis age em ângulos retos 
em relação ao vento, somente 
influenciando sua direção e nunca sua 
intensidade
7. Força de Coriolis
� http://www.youtube.com/watch?v=mcPs_OdQOYU
7. Força de Coriolis
� A razão da deflexão ser para direita (H.N.) ou esquerda (H.S.) é
uma consequência da direção do movimento nos dois 
hemisférios. Os objetos no H.S. estão de uma certa forma de 
cabeça para baixo em relação ao H.N. de forma que a 
percepção do movimento é reversa.
8. Vento Geostrófico
� Movimento de uma parcela em níveis superiores
� Considere uma parcela inicialmente estacionária em 5 km.
� Q: Onde estará a parcela mais tarde? Na posição #1 ou #2?
� Movimento de uma parcela em níveis superiores
� Observe que a parcela:
� Tem velocidade diferente de zero.
� Foi defletida para a direita pela força de coriolis
� A FGP é ainda muito mais forte que a força de coriolis visto que a 
velocidade da parcela é ainda pequena
� Q: Onde estará a parcela mais tarde? Na posição #1 ou #2?
8. Vento Geostrófico
� Movimento de uma parcela em níveis superiores
� Observe que a parcela:
� Aumentou sua velocidade.
� Foi defletida ainda mais para a direita pela força de coriolis
� A força de coriolis aumentou
� Q: Onde estará a parcela mais tarde?
8. Vento Geostrófico
� Movimento de uma parcela em níveis superiores
� Observe que:
� A parcela agora está se movendo de oeste para leste (vento de oeste), 
não de sul para norte (vento de sul).
� A FGP é igual e oposta a força de coriolis.
8. Vento Geostrófico
� Quando as isóbaras são linhas retas e paralelas, e as 
duas únicas forças agindo são as de gradiente de 
pressão e de coriolis, então o vento é chamado de 
vento geostrófico:
� FGP e FC são iguais em magnitude e opostas em direção.
� O vento geostrófico é sempre paralelo as isóbaras.
8. Vento Geostrófico
� No H.N. flui deixando as baixas pressões à sua 
esquerda.
� No H.S. flui deixando as baixas pressões à sua 
direita.
8. Vento Geostrófico
� Quando o escoamento é paralelo às isóbaras com
linhas retas, o escoamento é dito geostrófico.
� Q: O que determina a força do vento geostrófico?
8. Vento Geostrófico
� Uma perspectiva matemática.
� Como FGP e FC são iguais em magnitude e opostas 
em direção, temos que FGP = FC
� Para a força pressão de gradiente:
� ρ = densidade do ar 
� ∆P = mudança na pressão
� d = distância 
� Força de coriolis:
� Ω = taxa de rotação da Terra
� Vg = velocidade do vento geostrófico
� θ = latitude
d
PFPG ∆=
ρ
1
θsin2 VgFC Ω=
8. Vento Geostrófico
� Então:
� Q: O que determina a força do vento geostrófico?
θ
ρ
sin21 Vg
d
P Ω=∆
d
PVg ∆
Ω
=
θρ sin2
1
8. Vento Geostrófico
� O escoamento é geostrófico quando FGP = FC.
� Isto ocorre quando as isóbaras são relativamente 
retas.
� O que acontece quando as isóbaras possuem 
curvatura, como em volta de Altas e Baixas????
� Quando existe curvatura no escoamento, devemos 
considerar a força centrípeta atuando sobre a parcela.
8. Vento Geostrófico� Se amaramos uma corda numa bola e giramos (de 
forma circular), então a força requerida para manter a 
bola movendo num caminho circular é chamada de 
força centrípeta (FCO).
� A força centrípeta é direcionada para o interior do eixo 
de rotação
� A medida que você roda a bola presa numa corda, 
você sente a corda puxando a sua mão.
9. Vento Gradiente
� Portanto o vento gradiente é devido a uma 
combinação da:
� Força de gradiente de pressão (FGP)
� Força de coriolis (FC)
� Força centrípeta (FCO)
9. Vento Gradiente
0sin21
2
=+Ω+∆
R
VV
d
P θ
ρ
� H.S.
� Baixa – FC = FGP + FCO (sentido horário)
� Alta – FGP = FC + FCO (sentido anti-horário)
9. Vento Gradiente
� H.N.
� Baixa – FC = FGP + FCO (sentido anti-horário)
� Alta – FGP = FC + FCO (sentido horário)
9. Vento Gradiente
� H.N.
� Baixa – FC = FGP + FCO (sentido anti-horário)
� Alta – FGP = FC + FCO (sentido horário)
9. Vento Gradiente
� Vento gradiente - paralelo às isóbaras 
quando estas se apresentam de forma 
curvilínea.
� Ventos em torno de altas e baixas 
pressões:
� Fluxos ciclônicos – movimento do ar em torno 
das BAIXAS sentido horário (H.S.) e anti-
horário (H.N.).
� Fluxos anticiclônicos – movimento do ar em 
torno das ALTAS sentido anti-horário (H.S.) e 
horário (H.N.).
9. Vento Gradiente
� A última força que vamos considerar é a força de 
atrito.
� Q: Onde a força de atrito terá o maior impacto sobre 
os ventos???
� Portanto, acima de 850 mb, o escoamento é
geostrófico ou gradiente.
� Da superfície até cerca de 1-1.5 km, devemos incluir o 
efeito do atrito e portanto o escoamento não está mais 
em balanço geostrófico ou gradiente.
10. Força de Atrito
10. Força de Atrito
� A força de atrito atua na direção oposta da direção do 
vento.
� Atrito diminui a velocidade do vento.
� Como resultado qual força se torna menor FGP ou a 
FC??
� Portanto, os ventos cruzam levemente as isóbaras 
em direção ao centro das baixas e para fora do centro 
das altas
� As forças atuando sobre o vento nesta situação são as 
seguintes: atrito + FGP + FC = 0 (a centrípeta FCO 
não é levada em conta pois estamos considerando no 
exemplo isóbaras em linha reta)
10. Força de Atrito
10. Força de Atrito
� Q: Como o atrito afeta o escoamento ao redor de 
baixas e altas próximas da superfície?????
�Q: Devido ao atrito o vento cruza as 
isóbaras, o que podemos inferir sobre os 
movimentos verticais na proximidade de 
uma:
� Baixa em superfície.
� Alta em superfície.
11. Movimento Vertical
� No centro de uma baixa de superfície, o ar converge e portanto 
ascende.
� No centro de uma alta de superfície, o ar diverge, e portanto 
vem de altos níveis devido a um movimento descendente.
11. Movimento Vertical
� Quanto mais alta a pressão, maior a probabilidade de 
tempo claro e, quanto menor o valor lido no 
barômetro, maiores as chances de tempo inclemente.
� Por quê?
� Áreas de baixa pressão em superfície estão 
associadas com convergência, movimentos verticais, 
formação de nuvens e chuva. Áreas de alta pressão 
em superfície estão associadas com divergência, 
movimentos descendentes, tempo seco e céu claro.
11. Movimento Vertical
11. Movimento Vertical
12. Medindo o Vento
� O nome é dado de acordo com a origem: de onde vem 
o vento.
� Vento de norte: vento que tem sentido de norte para 
sul.
12. Medindo o Vento
12. Medindo o Vento
� Vento predominante
� Nome dado à direção mais freqüentemente 
observada em um dado período de tempo.
12. Medindo o Vento
� Vento predominante
� Importante no planejamento de cidades, áreas 
industriais, casas e aeroportos.
12. Medindo o Vento
� Radiossondas
� O balão é seguido desde a superfície
� Cálculos simples determinam a velocidade do vento
� RADAR
� Doppler em particular.
� Pode determinar a velocidade e a direção do vento 
pelas mudanças na freqüência dos pulsos emitidos 
pelo Radar.
� Satélites
� Movimento das nuvens.