Baixa - Iag Usp

Disciplina: 1400200 - Física da
Terra e do Universo para
Licenciatura em Geociências
Tópico 5 - Vento
2010
VENTO
• O vento consiste na circulação, no movimento da
atmosfera.
• Em meteorologia, costuma-se dividir o vento em suas
duas componentes:
– Horizontal
– Vertical
• A intensidade da componente horizontal do vento
geralmente é muito maior que a vertical.
• A componente horizontal é representada por:
– Intensidade (ou velocidade do vento) e
– Direção/Sentido
• A componente vertical normalmente está associada à
estabilidade da atmosfera (ar quente sobe, ar frio
desce)
VENTO
• Atividade:
– Desenhar a rosa dos ventos com 16 direções
(colocar as siglas dos pontos cardeais,
colaterais e subcolaterais).
Direção do vento
O sentido do vento é indicado pela direção de onde o vento é proveniente, ou
seja, de onde ele vem. O sentido é expresso tanto em termos da direção de
onde ele provém como em termos do azimute, isto é, do ângulo que o vetor
da direção forma com o Norte geográfico local. Assim, um vento de SE terá
um ângulo de 135º.
0o
337,5o
Pontos:
22,5o
315o
45o
292,5o
-cardeais,
colaterais e
sub-colaterais
67,5o
270o
90o
247,5o
112,5o
135o
225o
157,5o
202,5o
180o
QUADRANTES E
OCTANTES
Intensidade
• Atividade:
– Conversão de unidades
Preencher a tabela abaixo:
nós
0,5399
1
1,9438
2
3
4
5
10
15
20
25
30
40
50
70
100
150
200
275
m.s
-1
0,514
1
-1
km.h
1
1,852
3,6
mph
1,1507
2,2369
Velocidade do vento
nós
0,5399
1
1,9438
2
3
4
5
10
15
20
25
30
40
50
70
100
150
200
275
m.s
-1
0,3
0,514
1,0
1,0
1,5
2,1
2,6
5,1
7,7
10,3
12,9
15,4
20,6
25,7
36,0
51,4
77,1
102,8
141,4
km.h
-1
1
1,852
3,6
3,7
5,6
7,4
9,3
18,5
27,8
37,0
46,3
55,6
74,1
92,6
129,6
185,2
277,8
370,4
509,3
mph
0,6
1,151
2,2
2,3
3,5
4,6
5,8
11,5
17,3
23,0
28,8
34,5
46,0
57,5
80,5
115,1
172,6
230,1
316,4
INTENSIDADE
Escala de Vento de Beaufort
Essa escala ajuda a interpretar os dados de velocidade máxima do vento (rajadas) medidos nas
estações meteorológicas convencionais (a 10 m de altura)
Grau
Descrição
Velocidade
(km/h)
0
Calmaria
0–2
1
Vento Calmo
2–6
2
Brisa Amena
7 – 11
3
Brisa Leve
12 – 19
4
Brisa Moderada
20 – 29
5
Brisa Forte
30 – 39
6
Vento Forte
40 – 50
7
Vento Muito Forte
51 – 61
8
Vento Fortíssimo
62 – 74
9
Temporal
75 – 87
10
Temporal Forte
88 – 101
11
Temporal Muito Forte
102- 117
12
Tornado, Furacão
> 118
Grau
Designação
nós
km/h
m/s
Aspecto do mar
0
Calmaria
<1
<2
<1
Espelhado
1
Bafagem
1a3
2a6
1a2
Pequenas rugas na superfície do mar
2
Aragem
4a6
7 a 11
2a3
Ligeira ondulação sem rebentação
3
Fraco
7 a 10
13 a 19
4a5
Ondulação até 60 cm, com alguns carneiros
4
Moderado
11 a 16
20 a 30
6a8
Ondulação até 1.5 m, carneiros frequentes
5
Fresco
17 a 21
31 a 39
9 a 11
Ondulação até 2.5 m, muitos carneiros
6
Muito Fresco
22 a 27
41 a 50
11 a 14
Ondas grandes até 3.5 m; borrifos
7
Forte
28 a 33
52 a 61
14 a 17
Mar revolto até 4.5 m com espuma e borrifos
8
Muito Forte
34 a 40
63 a 74
17 a 21
Mar revolto até 7.5 m com rebentação e faixa
9
Duro
41 a 47
76 a 87
21 a 24
Mar revolto até 9 m; borrifos afectam visibilid
10
Muito Duro
48 a 55
89 a 102
25 a 28
Mar revolto até 12 m; superfície do mar bran
11
Tempestade
56 a 63
104 a 117 29 a 32
Mar revolto até 14 m; pequenos navios sobe
12
Furacão
>64
>119
Mar todo de espuma; visibilidade nula
>33
Grau Designação
nós
km/h
m/s
Efeitos em terra
0
Calmaria
<1
<2
<1
Fumaça sobe na vertical
1
Bafagem
1a3
2a6
1a2
Fumaça indica direcção do vento
2
Aragem
4a6
7 a 11
2a3
As folhas das árvores movem; os moinhos come
3
Fraco
7 a 10
13 a 19
4a5
As folhas agitam-se e as bandeiras desfraldam a
4
Moderado
11 a 16 20 a 30
6a8
Poeira e pequenos papéis levantados; movem-s
5
Fresco
17 a 21 31 a 39
9 a 11
Movimentação de árvores pequenas; superfície
6
Muito Fresco 22 a 27 41 a 50
11 a 14 Movem-se os ramos das árvores; dificuldade em
7
Forte
28 a 33 52 a 61
14 a 17 Movem-se as árvores grandes; dificuldade em a
8
Muito Forte
34 a 40 63 a 74
17 a 21 Quebram-se galhos de árvores; circulação de pe
9
Duro
41 a 47 76 a 87
21 a 24 Danos em árvores; impossível andar contra o ve
10
Muito Duro
48 a 55 89 a 102
25 a 28 Árvores arrancadas; danos na estrutura de cons
11
Tempestade
56 a 63 104 a 117 29 a 32 Estragos abundantes em telhados e árvores
12
Furacão
>64
>119
>33
Grandes estragos
Definição de vetor
Vetor
É uma grandeza que possui
• uma direção,
•um sentido e
do
i
t
n
•um módulo.
Se
lo
d
Mó
Di
ão
ç
re
u
Representação de um vetor
→
V=V
Módulo de um vetor
→
V = |V| = |V|
Vetor
Representação
→
V=V
z
(x,y,z)
Componentes de V
z
V=(x,y,z)
V
O
x
x
y
y
Diagonal de um paralelepípedo
D
c
a
d
b
d2 = a2 + b2
D2 = d2 + c2
D2 = a2 + b2 + c2
Elementos que definem um
Vetor
Sentido de
V
z
V=(x,y,z)
z
de
o
eçã
r
i
D
Módulo de V
(tamanho)
|V| = V ≡ √{x2+y2+z2}
V
O
x
x
V
y
Pr
v n oj eç
o p ão
l an de
ox
y
y
Vetor V:
• Sentido
• Direção
• Módulo
Versor
z
Versor é um vetor
de módulo
unitário:
|u| = u = 1
u
O
x
y
Versores das direções dos
eixos cartesianos
z
i : Versor da direção x
j : Versor da direção y
k : Versor da direção z
k
i
x
O
j
y
|i|≡ 1
|j|≡ 1
|k|≡ 1
Representação de um Vetor
relacionado com um Versor
z
V
V=(x,y,z)
z
V = (xi , yj , zk )
V = xi + yj + zk
V = xi + yj + zk
V
k
u
i
x
x
O
j
y
y
Enunciado:
Num sistema cartesiano, desenhe os vetores seguintes:
a = 2i
b = -3j
c = 3i + 2j
d = -2i + 3j + 2k
α δ
z
d
b
a
x
y
O
c
Observações da estação
automática do INMET – Mirante de
Santana
•
•
•
No internet Explorer
http://www.inmet.gov.br/sonabra/maps/automa
Dados para os dias 28 de fevereiro a 01
de março de 2010.
Vetor vento
• Decomposição
em suas
componentes:
– Zonal
– Meridional
http://mst.nerc.ac.uk/wind_vect_convs.html
http://futebol.incubadora.fapesp.br/portal/conceitos/trigono
http://feferraz.net/imgs/ciclo-trigonom_trico-site.gif
VENTO
• Atividade:
– Decompor o vento em suas componentes
zonal e meridional
HL
Vel (m/s) Direção
1
1
0
2
2
90
Atividade:
Quais as
componentes zonais
e meridionais dos
ventos às 01 e 02HL?
Vetor vento
• Direção
• Velocidade
• Vento médio: soma de vetores
Soma de vetores
a) Módulo do vetor resultante:
É dado pelo comprimento da
diagonal indicada na figura.
Portanto,
v2 = v12 + v22 + 2v1v2cos γ ,
onde
é o ângulo entre os dois
vetores.
b) Direção:
Aquela da reta que contém a
diagonal.
c) Sentido:
A partir do vértice formado pelos
dois vetores.
Vetor vento
• Decomposição
em suas
componentes:
– Zonal
– Meridional
http://mst.nerc.ac.uk/wind_vect_convs.html
Soma vetorial
u
S
α
v
s=u+v
s2 = u2 + v2 + 2.u.v.cos α
u = uxi + uyj + uzk
V = vxi + vyj + vzk
s = (ux + vx) i + (uy + vy) j + (uz + vz) k
Vento médio
• Calcule o vento médio entre 1 e 2 HL.
Revisão
• Quais as componentes zonal e meridional
de um vento de norte de 3m.s-1?
• Quais as componentes zonal e meridional
de um vento de oeste de 5m.s-1?
O que faz o ar entrar em
movimento?
Isacc Newton (1642-1727)
• 1ª. lei: Lei da inércia
– objeto em repouso continua em repouso, objeto em
movimento continua em movimento
• 2ª. lei: (força)
– Força causa aceleração (mudança na velocidade
e/ou direção com o tempo)
• Principais forças no sistema atmosférico:
– Força do gradiente de pressão
– Força de Coriolis
– Fricção
Analogia com a água
• Pressão exercida pela água ~ peso da
água acima.
• P na base de A > P na base de B.
• Movimento de A para B
• Quanto maior a diferença de P, maior a
força
Gradiente Horizontal de
Pressão
• A mudança da pressão ao longo de uma
certa distância é denominada de
GRADIENTE DE PRESSÃO
• Dado um campo horizontal de pressão
(campo escalar), o vetor gradiente
horizontal de pressão é dado por:
∀∇ hp = (∂p/∂x, ∂p/∂y)
Gradiente horizontal de pressão
• Calcule os
gradientes
horizontais de
pressão dos
esquemas ao lado:
100 km
Gradiente horizontal de pressão
• Alta pressão/Baixa pressão
• Isóbaras mostram a variação
horizontal da pressão
• Gradiente de pressão =
diferença de pressão/distância
• Aponta para as altas pressões
• Quanto mais próximas as
isóbaras, mais intenso o
gradiente de pressão
100 km
Força do Gradiente horizontal de
pressão
• Aceleração do ar devido à
diferença de pressão:
• Fgp /m = -(1/ ρ )*∇ hp
• Mesma direção do gradiente,
mas com sentido oposto
(perpendicular às isóbaras)
• Fgp x/m= -(1/ ρ )*(∂ p/ ∂ x)
100 km
Força do Gradiente de Pressão
Força do Gradiente de Pressão
• Vai da alta para baixa
pressão
Quanto mais próximas as
isóbaras, maior o
Gradiente de pressão
Quanto maior o Gradiente
de pressão, maior a força
do gradiente de pressão
Quanto maior a força do
gradiente de pressão, mais
intenso o vento
Força do Gradiente
de pressão
• Isóbaras próximas ⇒
força do gradiente de
pressão maior ⇒
ventos mais fortes
• Isóbaras mais
espaçadas ⇒ menor
força do gradiente de
pressão ⇒ ventos mais
fracos
• Se apenas a força do
gradiente de pressão
atuasse, os ventos iriam
direto de centros de alta
para centros de baixa
pressão…
Força de Coriolis
Atividade
• Desenhe um círculo (o maior que couber na página)
• Trace algumas linhas passando pelo centro do círculo (O) e outros
•
•
círculos menores.
Escolha um ponto de destino e marque-o como “B”
Enquanto um colega gira o papel (sentido horário/anti-horário;
simulando a rotação da Terra), trace uma reta entre a origem (O) e o
ponto de destino “B”.
• Escolha um novo ponto de origem
B
A
“X” (fora do pólo) e um novo ponto
de destino “Y”, com mesma
“latitude”
•Enquanto um colega gira o papel
(sentido horário/anti-horário;
simulando a rotação da Terra), trace
uma reta entre a nova origem (X) e
o ponto de destino “Y”.
Coriolis Force
Corriolis Force
Força de Coriolis
•
•
•
•
Força aparente devido à rotação da Terra, desvia para a direita no HN, para a esquerda no HS
Analogia: Imagine tentando pegar uma bola num carrossel. Desvio aparence causado pela força de
Coriolis.
Proporcional à velocidade do objeto
– Quanto mais forte o vento, maior o desvio.
VÍDEO
Força de Coriolis
A Terra, quando vista de acima do PN, gira
no sentido anti-horário. Imagine 3 pontos no
HN todos na mesma longitude: A é o mais
próximo ao equador e C é o mais próximo do
PN. Cada ponto dá uma volta ao redor do
eixo da Terra em um dia: A percorre a maior
distância, portanto tem a maior velocidade. C
percorre a menor distância, portanto, tem a
menor velocidade.
Agora considere o ar ACIMA destes pontos.
Para uma parcela de ar em repouso, sua
velocidade para um observador fora da Terra
será a mesma da superfície abaixo dela,
entretanto, sua velocidade para um
observador NA superfície, será ZERO.
Suponha agora, que no ponto B a pressão
atmosférica comece a baixar, fazendo com
que o ar dos pontos A e C se dirijam ao ponto
B. Como a parcela de ar de C sai com
velocidade menor do que a velocidade de
deslocamento de B, ela tende a ir para a sua
direita. A parcela de ar de A se move mais
rapidamente do que a que estava em B,
portanto, também tem seu movimento
deslocado para sua direita.
http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Lrotfram.htm
Força de Coriolis
• Vento sofre um desvio para a direita no Hemisfério
Norte e para a esquerda no Hemisfério SUL
• O desvio depende da:
– Rotação da Terra
– Latitude (maior curvatura próximo aos pólos)
– Velocidade do objeto
• Só é aplicável para GRANDES DISTÂNCIAS!!!
– Não vale para tanques/pias/banheiras!!!
Força do Gradiente
de pressão
• Isóbaras próximas ⇒
força do gradiente de
pressão maior ⇒
ventos mais fortes
• Isóbaras mais
espaçadas ⇒ menor
força do gradiente de
pressão ⇒ ventos mais
fracos
• Se apenas a força do
gradiente de pressão
atuasse, os ventos iriam
direto de centros de alta
para centros de baixa
pressão…
Movimentos atmosféricos:
Supondo que a Terra não girasse...
• Aquecimento
diferencial...
Os movimentos
atmosféricos ocorrem em
resposta à diferença de
pressão entre duas regiões
Isso faz com que a
atmosfera seja mais
expandida no equador e
mais contraída nos pólos
As diferenças de pressão são
devidas à incidência e absorção
da radiação solar de maneira
distinta entre duas regiões
Na macro-escala, devido à
posição relativa Terra-Sol, os
raios solares são mais
intensos e mais absorvidos
na região Equatorial do que
nos Pólos
Movimentos atmosféricos:
Supondo que a Terra não girasse...
Temperatura menor,
Ar mais denso,
Pressão maior
• Transporte de
energia do
Equador para
os pólos
Temperatura maior,
Ar menos denso,
Pressão menor
Como a Terra gira...
EM
superfície
EM altitude
Como a Terra gira...
3 células de circulação em cada hemisfério
Movimentos Atmosféricos
Na macro-escala, os ventos de superfície estão associados à circulação geral da
atmosfera, a qual é resultado da ação das forças mencionadas anteriormente.
Ventos de E
Ventos de W
Alísios de NE
Alísios de SE
Ventos de W
Ventos de E
ZCIT – Zona de convergência inter-tropical – elevação do ar quente e úmido, formando
nuvens e chuvas convectivas
ZCET – Zona de convergência extra-tropical – encontro do ar frio e seco do Pólos com
o ar quente e úmido dos trópicos, formando os sistemas frontais frentes polares , que
causam perturbações atmosféricas em larga escala
Compare o modelo teórico da Circulação Geral da Atmosfera e o que realmente
ocorre. Veja que as duas condições são muito semelhantes.
(a) Modelo teórico da circulação geral da atmosfera
(b) Condição média observada da circulação geral da atmosfera
“Quebra" da distribuição zonal causada pela distribuição dos
continentes.
Ciclones e Anticiclones
Isóbaras
Os ciclones e anticiclones formados
na atmosfera são responsáveis pela
mudança na direção dos ventos
predominantes
Os ciclones são centros de baixa
pressão (L = Low). Os ventos
convergem para esse centro pela
força do gradiente de pressão e, em
seu movimento, têm seu
deslocamento desviado pela força de
Coriolis (para a direita no HN e para a
esquerda no HS)
Os anticiclones são centros de alta
pressão (H = High). Os ventos
divergem desse centro devido à força
do gradiente de pressão e, em seu
movimento, têm seu deslocamento
desviado pela força de Coriolis (para
a direita no HN e para a esquerda no
HS)
Vento de NE
Vento de SW
Vento de NW
Vento de SE
Vento de SW
Vento de NE
Vento de SE
Vento de NW
No seu deslocamento, os ciclones e os anticiclones promovem alteração na
direção dos ventos.
“Quebra" da distribuição zonal causada pela distribuição dos
continentes.
Como é o tempo nos centros de
alta e baixa pressão?
Ciclones
•
•
•
•
•
Sistemas de baixa pressão na superfície
Ventos fortes
Movimentos ascendentes
Nebulosidade/Precipitação
Umidade relativa alta
Anticiclones
•
•
•
•
•
•
•
Sistemas de alta pressão na superfície
Sistemas de “bom tempo”
Movimento subsidente
Umidade relativa baixa
Céu limpo
Ventos leves
À noite, céu sem nuvens e ventos fracos
favorecem formação de inversões térmicas
próximas à superfície
Isóbaras ao nível do
mar na Am. do Sul
B
Centro de Alta
Pressão
A
Centro de
Baixa Pressão
Circulações e Ventos Locais
A circulação geral da atmosfera também se modifica acentuadamente tanto temporal
como espacialmente, devido ao aquecimento diferenciado entre continentes e
oceanos, configuração de encostas, sistemas orográficos e topografia, originando
circulações e ventos “locais”.
Brisas Terra-Mar
Dia
Brisa Maritima – ocorre durante o dia,
quando o oceano encontra-se relativamente
mais frio que o continente
Noite
Brisa Terrestre – ocorre durante a noite,
quando o continente encontra-se
relativamente mais frio que o oceano
Aquecimento diferencial da superfície –
brisa marítima
Sugestão de exercícios
preparatórios para a prova
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Qual a diferença entre tempo e clima?
Qual a composição química da atmosfera atual?
Descreva a estrutura vertical da atmosfera padrão, em
termos de variação da temperatura com a altura.
Equacione esta variação na troposfera.
Quais são as camadas atmosféricas?
Como é feita a conversão entre escalas de temperatura?
Explique as estações do ano.
Como são as trajetórias do sol nos equinócios e solstícios
(no Equador e nos Trópicos)?
Sugestão de exercícios
preparatórios para a prova
8. Descreva o procedimento para medir a temperatura de bulbo
úmido e como esta medida é utilizada para se obter a
umidade relativa do ar.
9. Descreva a variação média diurna da temperatura e umidade
relativa do ar.
10. Qual a definição de pressão atmosférica?
11. Como a pressão varia com a altura? Como se faz a redução
da pressão ao nível do mar usando a aproximação
hidrostática?
12. Como a pressão varia ao se variar a temperatura numa
coluna de ar?
Sugestão de exercícios
preparatórios para a prova
13. Como a temperatura de ebulição varia com a
pressão atmosférica?
14. Como é feita a decomposição do vento em
meteorologia?
15. Explique a circulação geral da atmosfera.
16. Quais as forças que agem na atmosfera? De que
forma elas atuam?
17. O que é um ciclone/anticiclone? Qual o tempo no
centro de cada um destes sistemas?
18. Explique a circulação de brisa marítima e terrestre.