Universidade Federal Fluminense Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente I ntrodução a Meteorologia e a Climatologia Prof. Marcio Cataldi Aula.

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1 Universidade Federal Fluminense Departamento de Recursos Hídricos e Meio Ambiente I ntrodução a Meteorologia e a Climatologia Prof. Marcio Cataldi Aula 1

2 Programa: História das ciências atmosféricas; Aspectos astronômicos e geográficos do Clima; Elementos do sistema climático; Circulação geral da atmosfera; Escalas espaciais e temporais da dinâmica atmosférica; Introdução ao escoamento geofísico e suas principais simplificações; Classificação climática: abordagem estática x abordagem dinâmica; Métodos de estimativa e medição de grandezas meteorológicas; Modelagem numérica do tempo e do clima; Tempo, Clima e Meio Ambiente: poluição atmosférica, biometeorologia, conforto térmico de edificações, eventos extremos, geração de energia, agrometeorologia e mudanças climáticas.

3 Abordagens Aplicação do conhecimento do tempo e do clima em situações que envolvam o meio ambiente, como em Estudos de Impactos Ambientais (EIA) e Relatórios de Impactos Ambientais (RIMA), Licenciamentos, etc; Linhas de Pesquisa envolvendo o Tempo, o Clima e Meio Ambiente.

4 Avaliação Duas provas de conhecimento específico, discursivas, com peso 3. Um trabalho com peso 2.

5 Bibliografia Básica Oliveria, L. L., Vianello, R. L. e Ferreira, N. J. Meteorologia Fundamental. 2001. Edifapes Varejão-Silva, M. A. Meteorologia e Climatologia. 2005. Versão Digital. Peixoto, J. P. e Oort, A.H. Phisics of Climate. 1991.

6 O termo mteorologia surgiu quando o filósofo grego Aristóteles, em torno de 340 a.C., à sua maneira filosófica e especulativa, escreveu um livro sobre filosofia natural denominado Meteorológica, falando sobre o tempo, o clima, sobre astronomia, geografia e química. Falava de nuvens, chuva, neve, vento, granizo, trovões e furacões. Naqueles dias, tudo o que caia do céu e qualquer coisa vista no ar era chamada de meteoro, daí o nome meteorologia. As idéias de Aristóteles se mantiveram aceitas por quase dois mil anos. De fato, o nascimento da meteorologia como uma ciência natural genuína não aconteceu até a invenção dos instrumentos meteorológicos (os termômetros, no fim do século XIV, o barômetro, para medir pressão atmosférica, em 1643, e o higrômetro, para medidas de umidade, no final do século XVIII). A invenção do telégrafo, em 1843, permitiu a transmissão das observações rotineiras do tempo. Histórico das ciências Atmosféricas

7 Pierre Simon Laplace (1812) –...conhecendo-se as massas, a posição e a velocidades de todas as partículas em um intervalo de tempo singular, é possível se calcular com precisão os os seus eventos passados e futuros...; Vilhelm Bjerknes (1904) - Desenvolveu os princípios matemáticos básicos para resolver as equações governantes de fluxo da Atmosfera e do Oceano; Lewis Fry Richardson (1922) - Utilizando as equações básicas de movimento na atmosfera desenvolveu o primeiro sistema de previsão do tempo, utilizando uma máquina de calcular; Carl Gustav Rossby (1930) – Utilizou o caráter ondulatório da circulação geral da atmosfera para criar uma simplificação das equações do modelo de circulação da atmosfera; Histórico das ciências Atmosféricas

8 Jule Charney (1950) – Liderou um grupo de pesquisadores a realizar prognósticos de tempo no ENIAC/Universidade de Princeton, utilizando as equações de Rossby; Norman Phillips (1956) – Adicionou uma forçante nos termos da equações de Rossby, observando variações nos padrões da circulação geral da atmosfera – Início dos modelos de circulação geral da atmosfera; Modelos Oceânicos de larga escala só tiveram início na década de 60; Criação do Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) sob a direção de Joseph Smagorinsky. Início da modelagem numérica do tempo no Brasil através do CPTEC/INPE Principais centros de pesquisa – NASA/DAO, GFDL/NOAA, IRI, NCAR Histórico das ciências Atmosféricas

9 O tempo pode ser definido como o estado da atmosfera em um determinado local e espaço de tempo, descrevendo os termos da variação de temperatura, nebulosidade, precipitação e vento; O clima é definido como as condições do tempo sobre uma área média em um período de tempo específico. A está relacionado com as variações atmosféricas em relação ao seu estado médio. A variabilidade natural média das condições de tempo em uma determinada região é que vão compor o clima dessa região. É importante portanto conhecer as escalas e os diferentes mecanismos determinam essa variabilidade. Tempo e Clima

10 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – O SOL Temperatura na Coroa 2x10 6 K O Sol é uma esfera de gases incandescentes, composta principalmente por átomos de hidrogênio e hélio. A energia cinética destes corresponde a milhões de graus no centro da estrela, e vai diminuindo até uma superfície mais ou menos definida (fotosfera)

11 A fonte de energia de nosso sistema climático é o Sol, que oferece radiação incidente no topo da atmosfera, considerando a geometria esférica da Terra; A energia solar se manifesta na forma de energia ou radiação eletromagnética, a qual é convertida em calor, energia potencial e energia cinética na Terra; A energia solar pode ser apenas convertida, nunca pode ser destruída. Este é o princípio fundamental da conservação de energia; Aspectos astronômicos e geográficos do Clima

12 Características físicas -Luminosidade: Quantidade de energia irradiada por segundo, pelo Sol, em todas as direções -Constante Solar: É a quantidade de energia solar que alcança uma área de 1 m2 no topo da atmosfera da Terra, em um segundo. Valor 1.400 W/m2/s

13 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima Manchas solares Campos magnéticos até 1000 vezes mais intensos do que o das vizinhanças

14 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima Manchas solares Período de 11 anos => Número de Manchas Período de 22 anos => Variação de Latitude

15 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima Estações do Ano – Translação e Rotação

16 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima A posição mais próxima ao Sol, o perihélio (147 x 10 6 km), é atingido aproximadamente em 3 de janeiro e o ponto mais distante, o afélio (152 x10 6 km), em aproximadamente 4 de julho. A variação da radiação solar recebida devido à variação da distância é pequena ~ 6,7%; O fator determinante para que existam as estações do ano é o ângulo de 23.27 o do eixo de rotação da Terra em relação ao seu plano de translação ao redor do Sol (plano da eclíptica); Devido à esse ângulo, a distribuição da radiação solar incidente e a altura do Sol - isto é, o ângulo de elevação do Sol acima do horizonte para um observador na superfície da Terra em uma determinada hora do dia (por exemplo, meio dia) - mudam continuamente com o movimento de translação. O Hemisfério Sul se inclina para longe do Sol durante o nosso inverno e para perto do Sol durante o nosso verão.

17 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima - Latitude Inclinação da Terra A radiação solar não é distribuída homogeneamente na Terra. Este fato provoca o surgimento da circulação da atmosfera e dos oceanos para exportar calor dos trópicos para as altas latitudes numa permanente tentativa de uniformizar a energia no planeta;

18 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Composição da atmosfera terrestre

19 Gases % em Volume Nitrogênio Oxigênio Vapor de água Argônio Dióxido deCarbono Neon Hélio Metano 78.1% 21% vária de 0 - 4% 0.93% por volta de 0.3% abaixo dos 0.002% 0.0005% 0.0002%

20 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Distribuição vertical da Temperatura (k) na troposfera.

21 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Espectro de radiação Ultravioleta: λ 0,38 µm Visível: 0,38 < λ 0,76 µm Infravermelho: λ 0,76 µm

22 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Balanço de Radiação

23 O aquecimento da atmosfera do planeta ocorre da superfície para a atmosfera. Isto porque a superfície reemite para a atmosfera radiação de onda longa (infravermelha), e este é o comprimento de onda termal, ou seja, que transfere calor. A diferença de temperatura entre a superfície Terrestre e a atmosfera imediatamente sobre ela gera um fluxo de calor, conhecido como fluxo de calor sensível. A superfície da Terra também emite radiação de onda curta (visível) de volta para a atmosfera, o que é chamado de albedo terrestre. Mas este tipo de radiação não aquece a atmosfera superior. Quanto maior o albedo, maior é a reflexão da radiação e, consequentemente, menor é a absorção de energia e o aquecimento da atmosfera. Existe também o fluxo de calor latente que é aquele emitido para a atmosfera em superfícies onde ocorre mudança de fase.

24 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Albedo Exemplos de albedos de algumas superfícies: - neve fresca 0,80 a 0,95 - neve velha0,42 a 0,70 - solos arenosos secos0,25 a 0,45 - solos argilosos secos0,20 a 0,35 - solos turfosos0,05 a 0,15 - florestas caducas0,15 a 0,20 - florestas coníferas0,10 a 0,15

25 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Radiação Difusa (a) Céu claro (b) parcialmente nublado (c) nublado Radiação total = Radiação Direta + Radiação Difusa

26 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Balanço de Radiação De acordo com a estação do ano, algumas regiões podem apresentar sobra ou déficit de energia. Mas a radiação Global se conserva.

27 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Sazonalidade da precipitação

28 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Diferença Terra-Mar Calor específico da água é maior do que o da Terra

29 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima Hidrosfera - A hidrosfera é constituída por toda a água, em estado líquido, no globo. Inclui os oceanos, lagos, rios e águas subterrâneas. Cobre aproximadamente dois terços da superfície do globo e, assim, a maior parte da radiação que chega à superfície da Terra é absorvida por eles. Os oceanos são grandes reservatórios de energia. Criosfera - A criosfera compreende as grandes massas de gelo e neve na superfície do globo. Inclui os extensos campos de gelo na Gronelândia e Antártida, e outros glaciares continentais, campos de neve, gelo do mar e solo gelado. A criosfera representa o maior reservatório de água doce na Terra, mas sua importância para o sistema climático global é o elevado albedo (reflexão da radiação solar) da neve e da sua baixa condutividade térmica. Litosfera - A litosfera inclui os continentes, que cobrem cerca de 27% da superfície terrestre e cuja topografia influencia o clima. Por exemplo, o clima nas regiões montanhosas pode ser completamente diferente de um clima de uma região de planície. Biosfera - A biosfera é constituída por todos os seres vivos que existem no mar e terra.

30 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Diferença Terra-Mar Calor específico da água é maior do que o da Terra

31 Aspectos astronômicos e geográficos do Clima – Altitude Em termos médios a temperatura do ar cai cerca de 6,5 graus por kilômetro.

32 Exercícios 1) Comente sobre as relações do balanço de energia na atmosfera e o efeito estufa. 2) Descreva sobre os processos de absorção, reflexão e transmissão da energia solar na atmosfera. 3) Explique se é conhecido algum processo do tipo monções na América do Sul. 4) Explique sobre os processos de formação e transporte do Ozônio na atmosfera. Comente também sobre o papel do ozônio na troposfera e na estratosfera.