CONCEITOS BÁSICOS DE METEOROLOGIA Profa. Renata Medici

O que acontece com a concentração de uma substância na atmosfera ao ser emitida? R: A concentração varia com o tempo e com o espaço.

Variação no tempo Variação no espaço Fonte: Souza (2006): Modelagem do transporte de SO2 gerado em plataformas de produção da Bacia de Campos - RJ no período de inverno através do modelo OCD

Por quê? TRANSFORMAÇÃO: reações químicas e/ou fotoquímica DISPERSÃO DEPOSIÇÃO

Planaltos, vales, encostas CONDIÇÕES METEOROLÓGICAS Temperatura, velocidade e direção dos ventos, estabilidade da atmosférica Fatores que afetam a dispersão CARACTERÍSTICAS DO POLUENTE Taxa de emissão, temperatura, velocidade TOPOGRAFIA Planaltos, vales, encostas CARACTERÍSTICAS DA FONTE EMISSORA Altura física e efetiva da fonte emissora Diâmetro da fonte emissora

TEMPO X CLIMA METEOROLOGIA – CONCEITOS BÁSICOS Estado físico das condições atmosféricas de terminado lugar em dado momento Descreve a sucessão dos estados de tempo de uma determinada região, isto é um conjunto de fenômenos meteorológicos. Deve-se ressaltar que, mesmo mantendo a emissão de poluentes constante, a qualidade do ar pode piorar ou melhorar, dependendo das condições meteorológicas (tempo) estarem desfavoráveis ou favoráveis à dispersão de poluentes.

Vento - Ar atmosférico em movimento METEOROLOGIA – CONCEITOS BÁSICOS Vento - Ar atmosférico em movimento O fluxo geral do ar sobre a terra é induzido por variações de pressão de grande escala comumente apresentados nas cartas meteorológicas Os ventos sempre sopram das áreas de alta pressão para as áreas de baixa pressão A intensidade destes sistemas de pressão e seu posicionamento normal ou trajetórias determinam a distribuição dos ventos em uma dada área.

DIREÇÃO PREDOMINANTE DO VENTO – ROSA DOS VENTOS Fonte: Lisboa (2007):Meteorologia e dispersão atmosférica

VELOCIDADE DOS VENTOS A variação da componente horizontal da velocidade do vento e da direção com a altitude é importante na avaliação da difusão dos gases de chaminés A velocidade do vento aumenta exponencialmente com a altura em função da redução do atrito conforme o fluxo de ar se distancia da superfície. Fonte: Lisboa (2007):Meteorologia e dispersão atmosférica

A certa altura acima do solo (geralmente 500-750 m) o fluxo de ar é quase paralelo as linhas de mesma pressão e a velocidade é prescrita pelo gradiente horizontal de pressão. Próximo do solo os efeitos do atrito retardam o fluxo do ar bem como causam mudança na direção. O perfil vertical da velocidade do vento é afetado pelas mudanças na cobertura do solo e pela estabilidade térmica da atmosfera. Fonte: Lisboa (2007):Meteorologia e dispersão atmosférica

A certa altura acima do solo (geralmente 500-750 m) o fluxo de ar é quase paralelo as linhas de mesma pressão e a velocidade é prescrita pelo gradiente horizontal de pressão. Próximo do solo os efeitos do atrito retardam o fluxo do ar bem como causam mudança na direção. O perfil vertical da velocidade do vento é afetado pelas mudanças na cobertura do solo e pela estabilidade térmica da atmosfera. Fonte: Lisboa (2007):Meteorologia e dispersão atmosférica

Temperatura - Quantidade de calor que o ar contém. METEOROLOGIA – CONCEITOS BÁSICOS Temperatura - Quantidade de calor que o ar contém. Pressão atmosférica - é o peso que o ar exerce sobre a superfície terrestre O que exerce maior pressão, o volume de ar seco ou de ar úmido? Vapor d’água pesa menos que o volume de ar seco, portanto, quanto mais úmido for, menor será a pressão atmosférica Lembrar que: (MMH2O – 18 g.mol -1; MM O2 – 32 g.mol -1 ; MM N2 28 g.mol -1)

TEMPERATURA NA ATMOSFERA A variação vertical de temperatura é muito mais significativa que a variação horizontal. O estudo dos gradientes verticais de temperatura apresenta grande interesse, pois eles condicionam a possibilidade de ocorrência e o sentido dos movimentos verticais de ar na atmosfera. Quando o ar experimenta um processo de ascensão ou de descenso, sua temperatura é determinada pelo gradiente adiabático.

TEMPERATURA NA ATMOSFERA A variação vertical de temperatura é muito mais significativa que a variação horizontal. O estudo dos gradientes verticais de temperatura apresenta grande interesse, pois eles condicionam a possibilidade de ocorrência e o sentido dos movimentos verticais de ar na atmosfera. Quando o ar experimenta um processo de ascensão ou de descenso, sua temperatura é determinada pelo gradiente adiabático.

Transformações Adiabáticas Um gás (ou vapor) realiza uma transformação adiabática quando a passagem do estado inicial ao final é determinada apenas pela criação de sua energia interna, sem receber ou ceder calor. (não há troca de energia por calor entre o sistema e a vizinhança) Seja um gás contido num cilindro com paredes impermeáveis ao calor. Se a expansão fizer adiabaticamente, a energia necessária para executar este trabalho é extraída do próprio gás e ele se resfria. Ex. Lata de spray Se, pelo contrário, ele for comprimido adiabaticamente sua temperatura aumenta, pois o trabalho de compressão converter-se-á em calor.

Gradiente vertical da adiabádica seca É o fenômeno da expansão ou compressão do ar seco ou úmido sem a troca de calor com o meio. Ele encontra baixa pressão, se expande e resfria. Imagine um pequeno volume de ar a determinada altura. Se ele for deslocado para cima, o que acontecerá?

Gradiente vertical da adiabádica seca Se for assumido que não exista troca de calor entre o meio e o pequeno volume, pode-se definir a taxa na qual o resfriamento ocorre durante a ascensão como gradiente vertical da adiabática seca ou “gradiente adiabático seco”ou ainda Lapse Rate Se o processo for adiabático a variação de temperatura será de 1 oC/100 m ou

Gradiente vertical da adiabádica seca Na realidade, este processo nunca ocorre na atmosfera, uma vez que a turbulência tende a destruir o volume teoricamente isolado e ocorre a troca de calor, porém, o conceito tem valor considerável como referência para se estimar as características turbulentas na atmosfera real. Movimento vertical das massas de ar

Gradiente vertical de temperatua ou gradiente térmico vertical É a distribuição atual da temperatura na vertical. Consiste no decréscimo da temperatura com a altura que tem lugar dentro de uma atmosfera em repouso. Raramente ela se aproxima do gradiente adiabático nos primeiros 100m acima do solo para qualquer período de tempo.

Estabilidade ou instabilidade da atmosfera Movimento vertical O processo de mistura vertical na atmosfera é, de forma simplificada, assumido como envolvendo um sem número de parcelas de ar ascendendo e descendo. Não havendo troca de calor entre as fronteiras do sistema a parcela e seu ambiente imediato podem estar em temperaturas diferentes na mesma pressão. Este fato governa o seu movimento vertical. A variação da temperatura ao longo da altura para uma parcela ascendente de ar seco que se resfria adiabaticamente é utilizada como um perfil padrão de temperaturas para comparação com as situações reais. Estabilidade ou instabilidade da atmosfera

ESTABILIDADE OU INSTABILIDADE DA ATMOSFERA Em termos simples, a estabilidade da atmosfera é a sua tendência a resistir ou intensificar o movimento vertical, ou alternativamente suprimir ou aumentar a turbulência existente. Ele é função da relação entre o gradiente de temperatura do perfil vertical ambiental (gradiente térmico vertical) e o gradiente adiabático.

Na baixa atmosfera o grau de turbulência dependerá também: Gradiente vertical de temperatura rugosidade do terreno, velocidade do vento

Importante A camada mais baixa da atmosfera onde ocorrem os fenômenos de poluição do ar é denominada camada limítrofe. A camada limítrofe é definida por Zannetti (1990) como a "região na qual a atmosfera sofre os efeitos oriundos da superfície através de trocas verticais de momento, calor e mistura de massas de ar"

ESTABILIDADE OU INSTABILIDADE DA ATMOSFERA – GRADIENTE VERTICAL E GADIENTE ADIABÁTICO Imagine uma massa de ar em movimento ascendente esfriando de forma adiabática e a sua atmosfera circunvizinha, pode acontecer três situações:

ESTABILIDADE DO AR SECO (OU ÚMIDO): Uma camada de ar não saturado é estável quando seu gradiente térmico vertical é inferior ao gradiente da adiabática seca

INSTABILIDADE DO AR SECO (OU ÚMIDO): Uma camada de ar não saturado é instável sempre que o gradiente térmico vertical for maior que o gradiente do Lapse Rat

Quando o decréscimo da temperatura vertical é muito próximo do gradiente adiabático seco, diz-se que a atmosfera é indiferente ou neutra. Qualquer que seja a posição de uma partícula deslocada dentro da massa de ar, ela estará a mesma temperatura que a atmosfera circunvizinha, portanto, a mesma densidade. A turbulência e a dispersão são, portanto, normais. Uma partícula liberada na atmosfera não possui nenhuma tendência a continuar seu movimento

ESTABILIDADE DO AR SATURADO: Gradiente vertical da adiabática saturada - É o processo de expansão do ar saturado. Para uma pressão de 1000 milibares e temperatura de 10ºC o gradiente da adiabática saturada é de 0,60 ºC /100 m.

ESTABILIDADE DO AR SATURADO: Uma camada de ar saturado é sempre estável quando seu gradiente térmico vertical é inferior ao gradiente da adiabática saturada. Se o gradiente térmico vertical da camada de ar saturado for maior do que o gradiente da adiabática saturada, a atmosfera poderá estar em condições de instabilidade

INVERSÃO TÉRMICA: Imagine o movimento vertical do ar na atmosfera como acontece: O ar mais próximo da superfície terrestre é aquecido por esta O ar se expande e torna-se menos denso que o ar mais frio que está acima. O ar aquecido e menos denso acende através do ar mais frio, que o renova. Este ar novo também se aquece em contato com o solo, expande e acende. Deste modo criam as correntes de ar.

PERFIL NORMAL DA TEMPERATURA NA TROPOSFERA Fonte: Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão

INVERSÃO TÉRMICA: Agora imagine se, devido às condições meteorológicas houver uma inversão no esquema normal de variação da temperatura na troposfera resultando na formação de uma “capa de inversão”. O efeito resultante é a colocação de uma massa de ar frio por baixo de outra de ar mais quente. Perfil Temperatura troposfera em situação de inversão térmica Fonte: Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão

Situação comum no inverno INVERSÃO TÉRMICA - CONSEQUENCIAS Diminuição ou impedimento da circulação atmosférica vertical. Os contaminantes lançados no ar são confinados na capa inferior da inversão. Inversão térmica em São Paulo Fonte: Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão Situação comum no inverno Maior concentração de poluentes, logo maior atividade fotoquímica, logo maior temperatura na camada.

E SE COM O AUMENTO DA ALTITUDE NÃO HOUVER VARIAÇÃO NA TEMPERATURA? Perfil Isotérmico: Neste caso, como no caso subadiabático existe uma pequena tendência para um volume resistir ao movimento vertical – Estabilidade

RESUMINDO – GRADIENTES TÉRMICOS DE TEMPERATURA Fonte: Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão

Vamos praticar! Dado o perfil de temperaturas obtido num determinado aeroporto do Brasil Altura (m) Nível do solo 100 150 350 950 1200 1300 1600 Temperatura(oC) 20 15 18 16 13 1 11 identifique a estabilidade das diferentes camadas (estável, instável, neutra, isotérmica ou inversão). Qual é a camada superadiabática e qual a subadiabática?

Plotagem dos dados – Resultado

Vamos praticar! Dados os quatro perfis de temperatura abaixo, identifique qual o que seria mais desfavorável para qualidade do ar, supondo uma região urbana no mês julho, e qual o perfil que seria mais favorável.

Lembrar que A estabilidade atmosférica não é somente resultado do gradiente de variação térmica da atmosfera e que outros fatores também colaboram; Não há na literatura um consenso geral sobre a turbulência na atmosfera com isso, há diferentes categorias de estabilidade para diferentes autores:

Lembrar que Características das condições atmosféricas para Turner (1994) TURNER, D. Bruce. Workbook of atmospheric dispersion estimates New York: Lewis, 2nd ed., 182 p.,1994 apud Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão

Características das condições atmosféricas para Pasquill - Gifford (1994) Notas: 1. Forte insolação corresponde a um ângulo de elevação solar acima do horizonte, de 60º ou mais. Fraca insolação corresponde a um ângulo de elevação solar acima do horizonte, entre 15º e 35 º.Ver também Quadro 8. 10. 2. Poluentes emitidos em noites sem nuvens com menos de 2,0 metros por segundo. Pasquill - Gifford (1994) apud Lisboa (2007) Controle da Poluição Atmosférica : Capítulo VIII - Meteorologia e Dispersão