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�PAGE � UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ - Departamento de Ciências Agrárias e Ambientais CAA 082 - Meteorologia e Climatologia � PAGE �16� 1. Relações Astronômicas entre o Sol e a Terra Em meteorologia é importante se conhecer o movimento da terra em relação ao sol e analisar as conseqüências desse movimento. Para isso, pode-se considerar o sol imóvel, ocupando um dos focos da elipse que representa a trajetória da terra em seu movimento em torno do sol. Em virtude da forma elíptica da orbita terrestre, a distância terra-sol varia ao longo do ano em torno de um valor médio de 149.6 milhões de quilômetros (a distancia mínima terra-sol é de 147.1 milhões de quilômetros e a máxima é de 152.1 milhões de quilômetros). O ponto da trajetória terrestre que se acha mais próximo do sol chama-se periélio, e o mais distante, afélio. A terra passa pelo periélio por volta de 3 de janeiro e pelo afélio em 4 de julho. No estudo da quantificação da energia solar que chega até nosso planeta, é importante se conhecer a distância terra-sol (D) para um determinado dia do ano. Essa distância D pode ser estimada em termos da distância média (Dm) por meio da Equação 1, desenvolvida por Spencer (1971). 1.000110 + 0.034221 cos X + 0.001280 sen X + 0.000719 cos 2X + 0.000077 sen 2X Onde: Dm = distância média terra-sol (km); D = distância atual terra-sol (km); , expresso em graus; e n = numero do dia juliano. A representação gráfica da Equação 1 pode ser observada na Figura 2. Figura 2 – Representação Gráfica (Dm/D)2 Enquanto efetua seu movimento de translação em torno do sol, a terra também gira em torno de seu eixo (movimento de rotação), movimento esse que tem importantes conseqüências meteorológicas, pois é responsável pela sucessão de dias e noites. 2. As Estações do Ano Para um observador fixo na terra, o sol se movimenta na esfera celeste, e esse movimento é helicoidal, com periodicidade de aproximadamente um ano. O movimento aparente do sol na esfera celeste é helicoidal, em conseqüência de o eixo terrestre ser inclinado em relação ao plano da eclíptica (plano que contem a trajetória da terra em torno do sol). Atualmente o ângulo entre o plano da eclíptica e o plano equatorial celeste é de aproximadamente 23°27’, como mostra a Figura 3. Figura 3 – Angulo entre o Equador e o Plano da Eclíptica A combinação da obliqüidade da eclíptica e a translação da terra causa a impressão de que o sol se desloca na direção norte-sul ao longo do ano, dando origem as estações do ano, como pode observado nas Figura 4. De forma análoga, a rotação da terra dá a impressão de que o sol se desloca de leste para oeste ao longo do dia. As estações do ano se iniciam nos instantes denominados solstícios e equinócios. Os solstícios ao instantes em que o sol se encontra mais afastado do plano equatorial terrestre, e os equinócios, os instantes em que o sol passa pelo plano equatorial. Conforme ilustrado, os dias de solstícios são 22 de junho e 22 de dezembro e os dias de equinócio, 21 de marco e 23 de setembro, podendo haver pequenas variações. Para o hemisfério sul, o verão inicia-se no dia 22 de dezembro (solstício de verão); o outono no dia 21 de marco (equinócio de outono); o inverno no dia 22 de junho (solstício de inverno); e a primavera no dia 23 de setembro (equinócio de primavera). Nota-se que para o hemisfério norte as estações ocorrem em épocas opostas. Figura 4 – Movimento Anual Aparente do Sol na Direção Norte-Sul 2. Sistemas de Coordenadas 2.1. Coordenadas Geográficas Para determinar a posição de um astro no céu, é necessário definir um sistema de coordenadas. Nesse sistema, deve-se utilizar apenas coordenadas angulares, sem a preocupação com as distâncias dos astros. A posição do astro será, então, determinada através de dois ângulos de posição, um sobre um plano fundamental, e outro perpendicularmente a ele. Os sistemas de coordenadas astronômicas, baseiam-se no sistema de coordenadas geográficas, latitude e longitude, utilizadas para a localização de um ponto sobre a superfície da Terra. . Longitude Geográfica (): é o ângulo medido ao longo do equador da Terra, tendo origem em um meridiano de referência (o meridiano de Greenwich), e extremidade no meridiano do lugar. Na Conferência Internacional Meridiana, realizada em Washington em outubro de 1884, foi definida como variando de 0 a +180° (Oeste de Greenwich) e de 0 a -180° (Leste). Na convenção usada em astronomia, varia entre -12h (Oeste) e +12h (Leste). . Latitude Geográfica (): ângulo medido ao longo do meridiano do lugar, com origem no equador e extremidade no lugar. Varia entre –90º e +90º . O sinal negativo indica latitudes do hemisfério sul e o sinal positivo hemisfério norte. 2.2. Coordenadas Celestes Com a finalidade de se estudar o movimento dos astros houve necessidade de se definir sistemas de coordenadas celestes. Dentre os sistemas existentes, será visto o sistema equatorial e o sistema horizontal local. 2.2.1. A Esfera Celeste É uma esfera de diâmetro tão grande quanto se queira imaginar, na superfície da qual todos os astros (sol, lua, estrelas) estariam localizados e cujo centro coincide com o centro da terra. Os pontos e os planos usados para se definir as coordenadas celestes são obtidos prolongando-se os eixos e os planos, paralelos e meridianos terrestres ate interceptarem a esfera celeste. Obtém-se assim os pólos, meridianos e paralelos celestes, conforme Figura 5. Figura 5 – A Esfera Celeste. 2.2.2. O Sistema Equatorial Esse sistema utiliza como plano fundamental o Equador celeste. Suas coordenadas são a ascensão reta e a declinação. . Ascensão reta ( ou AR): é o ângulo medido sobre o equador celeste entre a projeção do raio vetor do astro e o ponto vernal (é o ponto do equador, ocupado pelo Sol no equinócio de primavera do hemisfério norte) A’. Varia de 0° a 360° e é medido no sentido de rotação da terra. Figura 6 – Coordenadas Celestes no Sistema Equatorial . Declinação ((): é o ângulo que o raio vetor do astro faz com a sua projeção no plano equatorial celeste – AA’. Varia de 0° a 90° sendo positivo no hemisfério norte e negativo no hemisfério sul. Note que o sistema equatorial celeste é fixo na esfera celeste, e portanto suas coordenadas não dependem do local e instante de observação. A ascensão reta e a declinação de um astro permanecem praticamente constantes por longos períodos de tempo 2.2.3. O Sistema Horizontal Local Nesse sistema, define-se a posição de um astro em relação ao observador através das coordenadas altura e azimute do astro. . Azimute (A): é o ângulo entre a projeção do raio vetor do astro no plano horizonte local e a linha norte-sul. O azimute varia entre 0º e (180º. É positivo pela manhã e negativo à tarde. (Figura 7). . Altura ou elevação (e): é o ângulo que o raio vetor do astro (vetor que liga o centro da terra ao astro) faz com o plano do horizonte local. Varia de -90 a +90°. O complemento da elevação se chama ângulo zênital (z). Figura 7 – Coordenadas Celestes no Sistema Equatorial O sistema horizontal é um sistema local, no sentido de que é fixo na Terra. As coordenadas azimute e altura ( ou azimute e distância zênital) dependem do lugar e do instante da observação, e não são características do astro. Trajetorias Aparentes do Sol O traçado das trajetórias aparentes do Sol, que perceberia um observador em algum lugar da Terra tem os seguintes procedimentos operacional (ilustrados na Figura 9). Traçar a Esfera Celeste Traçaro Plano Horizonte Local Situar os Pontos Cardeais Traçar a vertical do locar (Linha Zênite-Nadir) Desenhar as Trajetórias As Figuras 9 e 10 mostram as trajetórias aparentes do Sol, para um observador no Equador, nos Pólos e numa latitude qualquer. Note que a trajetória aparente do Sol nos Equinócios (de Primavera e Outono) coincide com o Plano do Equador Celeste. As demais trajetórias podem ser consideradas sobre planos paralelos ao Equador Celeste. Figura 8 - Plano do Equador, Latitude de um local no Hemisfério Sul, Plano Horizonte Local, Linha zênite-nadir e Angulo zenital, num instante qualquer. Figura 9 - Procedimentos operacionais para o traçado das trajetórias Aparentes do sol. Figura 10 - Trajetórias aparentes do Sol para um observador no (a) Equador e (b) Polo Sul nos instantes de Equinócios (primavera e outono) – PE e solstício de Verão para o hemisfério Sul. Figura 11 - Trajetórias aparentes do Sol para um observador numa latitude qualquer no hemisfério Sul nos instantes de Equinócios (primavera e outono) - PE, e solstício de Verão para o hemisfério Sul. Observações Declinação Solar Onde: ( = declinação solar (graus) nj = numero do dia juliano Ângulo Horário (H) H = arc cos - ( tg(() . tg(()) Onde: ( = latitude (graus); ( = declinação solar (graus) Duração do Dia Onde: N = duração do dia (horas); e H = ângulo horário (graus). Ângulo Zênital cos Z = sen ( . sen ( + cos ( . cos ( . cos h Onde: ( = latitude (graus); ( = declinação (graus); e h = ângulo horário Apêndice Apêndice A Algumas unidades SI derivadas com nomes especiais Unidade (SI) Grandeza Nome Símb Expressão em função das unidades SI Expressão em função das unidades SI fundamentais Freqüência Hertz Hz s-1 Força, Peso Newton N m.kg.s-2 Pressão Pascal Pa N.m-2 kg.m-1.s-2 Energia, Trabalho, quantidade de calor Joule J N.m kg.m2.s-2 Potência, fluxo radiante Watt W J.s-1 kg.m2.s-3 Prefixos utilizados no SI Nome Símb. Fator Nome Símb. Fator Nome Símb. Fator Nome Símb. Fator Exa E 1018 Mega M 106 deci d 10-1 nano n 10-9 Peta P 1015 Quilo k 103 centi c 10-2 pico p 10-12 Tera T 1012 Hecto h 102 mili m 10-3 fento f 10-15 Giga G 109 Deca da 101 micro ( 10-6 atto a 10-18 Apêndice B ALGUMAS CONSTANTES FUNDAMENTAIS Constante Símb Valor Calculado Melhor valor (1973)a Velocidade luz no vácuo c 3,00 x 108 m.s-1 2,99792458 Constante de Plank h 6,63 x 10-34 J.s 6,626176 Constante molar dos gases R 8,31 J.mol-1.K -1 8,31441 Constante de Avogadro NA 6,02 x 1023 mol -1 6,022045 Volume molar do gás ideal nas CNTP (0oC e 1,0 atm) Vm 2,24 x 10-3 m3.mol-1 2,241383 Constante de Stefan-Boltzman ( 5,6697 x 10-8 W.m-2.K -4 4,8986 x 10-3 J.dia-1.m-2.K -4 8,17 x 10-11 cal.min-1.cm-2.K -4 1,18 x 10-7 cal.dia-1.cm-2.K -4 5,67032 a Mesma unidade e potência de dez que o valor calculado Apêndice C FATORES DE CONVERSÃO ÂNGULO PLANO O ‘ “ radianos rotação 1 grau 1 60 3600 1,745 x 10-2 2,778 x 10-3 1 minuto 1,667 x 10-2 1 60 2,909 x 10-4 4,630 x 10-5 1 segundo 2,778 x 10-4 1,667 x 10-2 1 4,848 x 10-6 7,716 x 10-7 1 radiano 57,30 3438 2,063 x 105 1 0,1592 1 rotação 360 2,16 x 104 1,296 x 106 6,283 1 MASSA ESPECÍFICA 1 kg.m-3 = 1 x 10-3 g.cm-3 1 g.cm-3 = 1 x 103 kg.m-3 COMPRIMENTO Centímetro polegada (in) metro 1 centímetro 1 0,3937 1 x 10-2 1 polegada (inch) 2,540 1 2,54 x 10-2 1 metro 100 39,37 1 OUTRAS RELAÇÕES DE COMPRIMENTO 1 Angstron (Å) = 10-10 m 1 milha náutica internacional= 1852 m 1 pé = 1 ft =12 polegadas = 0,3048 m 1 braça = 2 varas = 10 palmos = 2,20 m 1 jarda = 3 pés = 0,9144 m 1 ano-luz = 9,460 x 1015 m 1 milha terrestre (mi.inglesa) = 1609 m 1 parsec = 3,084 x 1016 m 1 Unidade Astronômica = 1,496 x 1011 m ÁREA 1 m2 = 1 x 104 cm2 1 milha terr2 = 640 acres = 2588881 m2 1 m2 = 1550 in2 = 10,76 ft2 1 acre = 4045,13 m2 VOLUME 1 m3 = 1 x 106 cm3 1 m3 = 1 x 103 Litros 1 cm3 = 1 mL 1 galão americano = 4 quartos americ = 8 pints americ = 128 onças americ = 3786,09 cm3 1 galão britânico = vol. ocupado por 10 libras deágua a 62oF = 7,8565344 m3 VELOCIDADE km . h-1 m . s-1 mi . h-1 a cm . s-1 nó 1 km . h-1 1 0,3048 0,6214 27,78 0,5400 1 m . s-1 3,6 1 2,237 1 x 102 1,944 1 mi . h-1 1,609 0,4470 1 44,70 0,8689 1 cm . s-1 3,6 x 10-2 1 x 10-2 2,237 x 10-2 1 1,944 x 10-2 1 nó 1,852 1 1,151 51,44 1 1 nó = 1 milha marítima por hora 1 mi.min-1 = 88 pés.s-1 = 60 mi.h-1 a a mi = milha terrestre = 1609 m FORÇA, PESO� dyn N lb pdl gf a kgf a 1 dina 1 1 x 10-5 2,248 x 10-6 7,233 x 10-5 1,020 x 10-3 1,020 x 10-6 1 Newton 1 x 10-5 1 0,2248 7,233 1,020 x 102 0,1020 1 libra 4,448 x 10-5 4,448 1 32,17 4,536 x 102 0,4536 1 poundal 1,383 x 104 0,1383 3,108 x 10-2 1 14,10 1,410 x 10-2 1 grama-força 9,807 x 102 9,807 x 10-3 2,205 x 10-3 7,093 x 10-2 1 1 x 10-3 1 kg-força 9,807 x 103 9,807 2,205 70,93 1 x 103 1 Nota: As unidades em negrito não são realmente unidades de força, mas são freqüentemente usadas como tais. Por exemplo, se escrevermos: 1 kilograma-forç�a “=“ 9,807 Newtons isto quer dizer que a massa de um quilograma sofre a força de 9,807 Newtons sob condição de gravidade padrão (g = 9,80665 m.s-2). PRESSÃO atm a dyn.cm-2 mmHg Pa (N.m-2) lb.in-2 1 atm 1 1,013 x 106 7,60 x 102 1,01325 x 105 14,70 1 dina.cm-2 9,869 x 10-7 1 7,500 x 10-4 0,1 1,450 x 10-5 1 mmHg 1,316 x 10-3 1,333 x 103 1 1,333 x 102 1,934 x 10-2 1 Newton.m-2 9,869 x 10-6 10 7,501 x 10-3 1 1,450 x 10-4 1 libra.pol-2 6,805 x 10-2 6,895 x 104 51,71 6,895 x 103 1 1bar = 1000 hPa = 1106 dyn.cm-2 1 mbar = 1 hPa = 0,750 mmHg 1 mmHg=1,333mb=1,333hPa Newton/m2 = Pascal (Pa) a Onde a aceleração da gravidade = 9,80665 m.s-2 ENERGIA, TRABALHO, CALOR erg Joule cal 1 erg 1 1 x 10-7 2,389 x 10-8 1 Joule 1 x 107 1 0,2389 1 cal 4,186 x 107 4,186 1 1 BTU = 1,055 x 103 J 1 cv-h = 2,685 x 106 J 1 kWh = 3,6 x 106 J erg = dyn.cm = g.cm.s-2 Joule = N.m = kg.m2.s-2 POTÊNCIA cv (hp) cal.s-1 Watt 1 cavalo-vapor 1 1,782 x 102 7,457 x 102 1 caloria/segundo 5,613 x 10-3 1 4,186 1 Watt 1,341 x 10-3 0,2389 1 Watt = Joule/segundo = kg.m2.s-3 5.4. Apêndice D GEOMETRIA ESFERA DE RAIO r : Área = 4.(.r2 ; Volume = (4/3).(.r3 5.5. Apêndice E Alfabeto Grego Nome Maiusc Minusc Nome Maiusc Minusc Alfa Nu Beta Ksi Gama Ômicron Delta Pi Épsilon Ro Zeta Sigma Eta Tau Teta Úpsilon Iota Fi Kapa Chi (Qui) Lambda Psi Mu Ômega Essas tabelas foram retiradas de “Física” de Halliday & Resnick, “Meteorologia Básica e Aplicações” de Vianello & Alves e “Apontamentos de Física Geral” do curso de Física Geral de 1982 da ESALQ/USP, vários autores. 5. Apêndice F Conversão de datas em dias julianos Dia Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 1 1 32 61 92 122 153 183 214 245 275 306 336 2 2 33 62 93 123 154 184 215 246 276 307 337 3 3 34 63 94 124 155 185 216 247 277 308 338 4 4 35 64 95 125 156 186 217 248 278 309 339 5 5 36 65 96 126 157 187 218 249 279 310 340 6 6 37 66 97 127 158 188 219 250 280 311 341 7 7 38 67 98 128 159 189 220 251 281 312 342 8 8 39 68 99 129 160 190 221 252 282 313 343 9 9 40 69 100 130 161 191 222 253 283 314 344 10 10 41 70 101 131 162 192 223 254 284 315 345 11 11 42 71 102 132 163 193 224 255 285 316 346 12 12 43 72 103 133 164 194 225 256 286 317 347 13 13 44 73 104 134 165 195 226 257 287 318 348 14 14 45 74 105 135 166 196 227 258 288 319 349 15 15 46 75 106 136 167 197 228 259 289 320 350 16 16 47 76 107 137 168 198 229 260 290 321 351 17 17 48 77 108 138 169 199 230 261 291 322 352 18 18 49 78 109 139 170 200 231 262 292 323 353 19 19 50 79 110 140 171 201 232 263 293 324 354 20 20 51 80 111 141 172 202 233 264 294 325 355 21 21 52 81 112 142 173 203 234 265 295 326 356 22 22 53 82 113 143 174 204 235 266 296 326 357 23 23 54 83 114 144 175 205 236 267 297 328 358 24 24 55 84 115 145 176 206 237 268 298 329 359 25 25 56 85 116 146 177 207 238 269 299 330 360 26 26 57 86 117 147 178 208 239 270 300 331 361 27 27 58 87 118 148 179 209 240 271 301 332 362 28 28 59 88 119 149 180 210 241 272 302 333 363 29 29 60 89 120 150 181 211 242 273 303 334 364 30 30 90 121 151 182 212 243 274 304 335 365 31 31 91 152 213 244 305 366 �PAGE \# "'Página: '#'�'" �� �PAGE \# "'Página: '#'�'" �� “= _1016939103.unknown _1016957659.unknown _1016957986.unknown _1016939149.xls Gráfico1 1.03505 1.0350691873 1.0350773743 1.0350745574 1.0350607369 1.0350359173 1.0350001069 1.0349533182 1.0348955677 1.0348268758 1.0347472669 1.0346567695 1.034555416 1.0344432428 1.03432029 1.0341866019 1.0340422265 1.0338872159 1.0337216258 1.0335455157 1.0333589491 1.0331619932 1.0329547186 1.0327372 1.0325095155 1.0322717469 1.0320239795 1.0317663022 1.0314988072 1.0312215903 1.0309347506 1.0306383906 1.0303326161 1.0300175359 1.0296932622 1.0293599103 1.0290175984 1.0286664479 1.028306583 1.0279381309 1.0275612215 1.0271759874 1.0267825643 1.0263810899 1.025971705 1.0255545526 1.0251297782 1.0246975296 1.0242579571 1.0238112131 1.0233574519 1.0228968301 1.0224295065 1.0219556414 1.0214753972 1.0209889381 1.0204964299 1.0199980401 1.0194939377 1.0189842932 1.0184692785 1.0179490668 1.0174238326 1.0168937516 1.0163590006 1.0158197573 1.0152762005 1.0147285097 1.0141768655 1.0136214488 1.0130624415 1.0125000259 1.0119343849 1.0113657018 1.0107941602 1.010219944 1.0096432373 1.0090642245 1.0084830897 1.0079000175 1.0073151919 1.0067287972 1.0061410173 1.0055520358 1.004962036 1.0043712008 1.0037797127 1.0031877536 1.0025955047 1.0020031468 1.0014108598 1.000818823 1.0002272145 0.999636212 0.999045992 0.9984567299 0.9978686004 0.9972817767 0.9966964313 0.996112735 0.9955308577 0.994950968 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