Elementos de Hidrometeorologia

Elementos de
Hidrometeorologia
Capítulo
3
1. INTRODUÇÃO
A hidrologia de uma região depende principalmente de seu clima e secundariamente de sua topografia
e geologia. A topografia influencia a precipitação, a ocorrência de lagos, pântanos e a velocidade do
escoamento superficial. A geologia, além de influenciar a topografia, define o local de armazenamento
da água proveniente da precipitação, ou seja, na superfície (rios e lagos) ou no subsolo (escoamento
subterrâneo ou confinada em aqüíferos).
O clima de uma região é altamente dependente de sua posição geográfica em relação à superfície
terrestre. Os fatores climáticos mais importantes são a precipitação e o seu modo de ocorrência,
umidade, temperatura e ventos, os quais diretamente afetam a evaporação e a transpiração. Neste
capítulo serão abordados os três últimos, uma vez que à precipitação se dedicará um capítulo a parte.
2. UMIDADE
Existe sempre alguma água, na forma de vapor, misturado com o ar por toda a atmosfera. A
condensação deste vapor é que origina a maioria dos fenômenos do tempo: nuvens, chuva, neve,
nevoeiro, orvalho e etc., assim a compreensão do estudo do vapor d’água na atmosfera é de grande
importância para a hidrologia. A quantidade de vapor d’água no ar expressa-se simplesmente pela
relação peso/volume (ex.: gramas/m3)
Existe um limite para a quantidade de vapor d’água que um dado volume de ar pode suportar, e
quando esse limite é alcançado, diz-se que o ar está saturado. O ar quente pode suportar mais vapor
do que o ar frio, para cada grau de elevação da temperatura, verifica-se, também um aumento do
conteúdo do vapor d’água para a saturação.
A pressão atmosférica decorre de uma composição de pressões parciais exercidas pelos gases que a
constituem. A parcela de pressão devida a presença do vapor d’água é denominada pressão de vapor
d’água (e). Suponha uma superfície de água em evaporação, em um sistema fechado, envolta em ar.
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
2
Sob a ação de uma fonte de calor, a água vai sendo evaporada até o estado de equilíbrio, quando o
ar está saturado de vapor e não pode mais absorvê-lo. As moléculas de vapor d’água exercerão
então uma pressão, denominada pressão de saturação de vapor d’água (es), para determinada
temperatura do sistema.
O valor de es muda com a temperatura como mostra a Figura 1.
Figura 3.1 – Pressão de saturação de vapor (Fonte: Varejão-Silva, 2001)
A Figura 3.1 mostra que ocorre com a parcela de ar P, com pressão de vapor “e” e temperatura “t”.
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
3
Uma vez que o ponto “P” se encontra abaixo da curva de pressão de saturação de vapor, está claro
que a massa de ar pode absorver mais umidade. Teoricamente a saturação do ar pode se dar por três
processos básicos:
1. Processo isotérmico – a temperatura é mantida constante e o vapor d’água é
incorporado ao ar para suprir sua deficiência de umidade (ds).
ds = es – e
(3.1)
2. Processo isobárico – a pressão é conservada constante e o ar é submetido a um
resfriamento até interceptar a curva de saturação de vapor. Está temperatura corresponde a
temperatura do ponto de orvalho (td).
3. Livre saturação – se a água evapora livremente dentro da massa de ar, a saturação é
atingida a pressão e temperaturas diferentes das que tinha inicialmente, uma vez que a
evaporação necessita de calor (calor latente de evaporação), que é retirado do próprio ar.
Assim a medida que a umidade e a pressão aumentam, a temperatura diminui. O ponto P irá
se mover na diagonal até atingir a curva de saturação a uma temperatura tw denominada de
“temperatura do bulbo úmido”.
2.1. Umidade Relativa
Em geral o ar não está saturado; contém apenas uma fração do vapor d’água possível. Essa fração,
expressa em percentagem, é denominada umidade relativa (ur).
u r = 100
e
(% )
es
Tabela 3.1 – Conteúdo de vapor d’água no ar em várias umidades relativas (Fonte: Forsdyke, 1969)
Conteúdo de vapor d’água (g/m3)
Temperatura
59,3
34,0
18,7
9,8
4,9
40°C
100%
57%
31%
17%
8%
30°C
---
100%
55%
29%
14%
20°C
---
---
100%
52%
26%
10°C
---
---
---
100%
50%
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
0°C
---
---
---
---
4
100%
O Psicrômetro é o instrumento empregado para a medição da umidade atmosférica. Ele consiste de
dois termômetros – o de bulbo úmido e o de bulbo seco.
Figura 3.2 – Diagrama de um psicrômetro, mostrando o princípio do termômetro de bulbo úmido.
(Fonte: Villela, 1975)
O valor de “e” para uma dada temperatura é obtido pela equação:
(ew − e) = γ (t − t w )
(3.2)
Onde:
tw – Temperatura do termômetro de bulbo úmido
t – Temperatura do termômetro de bulbo seco
ew – Pressão de vapor correspondente a temperatura tw (Tabela 3.2)
γ
– Constante do psicrômetro (γ = 0,6, se e (mb), t (°C) e velocidade do ar entre os bulbos
de 3m/s e γ = 0,485 se e (mmHg) )
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
Tabela 3.2 – Pressão de saturação de vapor (es) em mmHg em função da temperatura em °C.
es
o
t ( C)
0.0
-10
2.15
-9
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
2.32
2.30
2.29
2.27
2.26
2.24
2.22
2.21
2.19
2.17
-8
2.51
2.49
2.47
2.45
2.43
2.41
2.40
2.38
2.36
2.34
-7
2.71
2.69
2.67
2.65
2.63
2.61
2.59
2.57
2.55
2.53
-6
2.93
2.91
2.89
2.86
2.84
2.82
2.80
2.77
2.75
2.73
-5
3.16
3.14
3.11
3.09
3.06
3.04
3.01
2.99
2.97
2.95
-4
3.41
3.39
3.37
3.34
3.32
3.29
3.27
3.24
3.22
3.18
-3
3.67
3.64
3.62
3.59
3.57
3.54
3.52
3.49
3.46
3.44
-2
3.97
3.94
3.91
3.88
3.85
3.82
3.79
3.76
3.73
3.70
-1
4.26
4.23
4.20
4.17
4.14
4.11
4.08
4.05
4.03
4.00
-0
4.58
4.55
4.52
4.49
4.46
4.43
4.40
4.36
4.33
4.29
-------
-------
-------
-------
-------
-------
-------
-------
-------
-------
-------
0
4.58
4.62
4.65
4.69
4.71
4.75
4.78
4.82
4.86
4.89
1
4.92
4.96
5.00
5.03
5.07
5.11
5.14
5.18
5.21
5.25
2
5.29
5.33
5.37
5.40
5.44
5.48
5.53
5.57
5.60
5.64
3
5.68
5.72
5.76
5.80
5.84
5.89
5.93
6.97
6.01
6.06
4
6.10
6.14
6.18
6.23
6.27
6.31
6.36
6.40
6.45
6.49
5
6.54
6.58
6.54
6.68
6.72
6.77
6.82
6.86
6.91
6.96
6
7.01
7.06
7.11
7.16
7.20
7.25
7.31
7.36
7.41
7.46
7
7.51
7.56
7.61
7.67
7.72
7.77
7.82
7.88
7.93
7.98
8
8.04
8.10
8.15
8.21
8.26
8.32
8.37
8.43
8.48
8.54
9
8.61
8.67
8.73
8.78
8.84
8.90
8.96
9.02
9.08
9.14
10
9.20
9.26
9.33
9.39
9.46
9.52
9.58
9.65
9.71
9.77
11
9.84
9.90
9.97
10.03
10.10
10.17
10.24
10.31
10.38
10.45
12
10.52
10.58
10.66
10.72
10.79
10.86
10.93
11.00
11.08
11.15
13
11.23
11.30
11.38
11.75
11.53
11.60
11.68
11.76
11.83
11.91
14
11.98
12.06
12.14
12.22
12.96
12.38
12.46
12.54
12.62
12.70
15
12.78
12.86
12.95
13.03
13.11
13.20
13.28
13.37
13.45
13.54
16
13.63
13.71
13.80
13.90
13.99
14.08
14.17
14.26
14.35
14.44
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
5
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
17
14.53
14.62
14.71
14.80
14.90
14.99
15.09
15.17
15.27
15.38
18
15.46
15.56
15.66
15.76
15.96
15.96
16.06
16.16
16.26
16.36
19
16.46
16.57
16.68
16.79
16.90
17.00
17.10
17.21
17.32
17.43
20
17.53
17.64
17.75
17.86
17.97
18.08
18.20
18.31
18.43
18.54
21
18.65
18.77
18.88
19.00
19.11
19.23
19.35
19.46
19.58
19.70
22
19.82
19.94
20.06
20.19
20.31
20.43
20.58
20.69
20.80
20.93
23
21.05
21.19
21.32
21.45
21.58
21.71
21.84
21.97
22.10
22.23
24
22.27
22.50
22.63
22.76
22.91
23.05
23.19
23.31
23.45
23.60
25
23.75
23.90
24.03
24.20
24.35
24.49
24.64
24.79
25.08
25.09
26
25.31
25.45
25.60
25.74
25.89
26.03
26.18
26.32
26.46
26.60
27
26.74
26.90
27.05
27.21
27.37
27.53
27.69
27.85
28.00
28.16
28
28.32
28.49
28.66
28.83
29.00
29.17
29.34
29.51
29.68
29.85
29
30.03
30.20
30.38
30.56
30.74
30.92
31.10
31.28
31.46
31.64
30
31.82
32.00
32.19
32.38
32.57
32.76
32.95
33.14
33.33
33.52
Figura 3.3 – Psicrômetro
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
6
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
7
A Figura 3.4 mostra o mapa da umidade relativa média anual no Brasil, medida pelo INMET, no
período de 1930 a 1990 (Normais Climatológicas).
Figura 3.4 – Umidade relativa anual (Fonte: INMET(http://www.inmet.gov.br/produtos)
3. TEMPERATURA
Geograficamente, há uma tendência de elevação de temperatura a medida que se aproxima do
Equador. Verifica-se, entretanto, que a topografia e a vegetação pode comprometer este
comportamento.
Durante o dia, a incidência da radiação solar provoca o aquecimento da superfície, que alcança sua
temperatura máxima algumas horas após o sol ter alcançado o seu zênite. As camadas inferiores da
atmosfera são aquecidas pela radiação de onda longa emitida pela superfície terrestre.
Devido a diversos processos de troca de calor no sistema Terra-Atmosfera, existe uma distribuição de
temperatura também segundo a direção vertical, conhecida como gradiente vertical de temperatura (0,65°C/100m). O estudo desse gradiente é importante para a influência da estabilidade atmosférica.
Associados aos processos de evolução do ar, são definidos três gradientes teóricos:
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
8
1. Gradiente de temperatura adiabática seca (αd)
•
Parcela de ar ascendente
•
Expande-se devido ao decréscimo de pressão
•
Temperatura decresce (-1°C/100m)
2. Gradiente de temperatura adiabática saturada (αs)
•
Quando a parcela de ar em ascensão atinge o nível de condensação, a
pressão continua decrescente.
•
Gradiente menor (-0,54°C/100m)
3. Gradiente de temperatura pseudo-adiabático
Figura 3.4 – Formas de precipitação. (Fonte: Raudikivi, 1979).
3.1. Estabilidade e Instabilidade Convectiva
Uma vez que ar aquecido decresce em densidade, ele tende a se tornar mais leve. Entretanto a
superfície terrestre não é homogênea e faz com que o ar seja aquecido de forma desigual, o que
resulta no aparecimento de camadas de ar com diferentes densidades; surgem então forças
ascendentes que elevam o ar mais quente (mais leve) através do ar vizinho mais frio (mais denso).
Obviamente, o gradiente de temperatura dentro de uma camada atmosférica é diferente daqueles
referentes a adiabática seca e a adiabática saturada. A relação entre o gradiente e a temperatura do
ambiente atmosférico (γ) e o gradiente da adiabática seca é que determina a umidade convectiva do
ar. Seja, por hipótese, que uma partícula de ar seco em equilíbrio térmico com o meio ambiente seja
levada, por algum motivo, a uma altitude maior que a inicial. O movimento ascendente da partícula
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
9
não modifica a estrutura da atmosfera circunvizinha. Como a parcela sob verticalmente, ela esfria a
uma taxa (Γ) (adiabática seca), enquanto que a temperatura ambiente decresce a uma taxa ( γ ).
a) Se γ < Γ :
Γ (parcela)
tparc < tamb
γ (ambiente)
mais frio, mais denso, parcela desce (estável)
b) Se γ > Γ :
γ (ambiente)
tparc > tamb
Γ (parcela)
mais quente, menos densa, parcela sobe (instável)
Figura 3.5 – Estabilidade e Instabilidade Convectiva (Fonte: VILLELA,1975)
Caso a parcela não esteja saturada, começará, no inicio a comportar-se como ar seco em ascensão
(αd). Entretanto, em um dado momento, chegará à temperatura de ponto de orvalho e passará a
comporta-se como ar saturado (αs). A umidade que foi condensada do ar resfriado em ascensão tornase visível como nuvem, sendo a sua base representativa do nível de condensação. O topo da nuvem
continua a se desenvolver até alcançar uma camada estável.
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
10
Figura 3.6 – Nuvem cumulonimbus (Fonte: INMET)
4. Vento
O ar está em movimento e isto é sentido como vento. Ele influencia processos hidrometeorológicos,
uma vez que, ao retirar a camada de ar saturado próxima ao solo e substituí-la por uma com menos
umidade, faz com que o processo de evaporação seja contínuo.
São necessários dois fatores para especificar o vento: direção e velocidade. Os instrumentos utilizados
para medida destas grandezas são os anemômetros, que medem a velocidade do vento (em m/s) e,
em alguns tipos, também a direção (em graus), e os anemógrafos, que registram continuamente a
direção (em graus) e a velocidade instantânea do vento (em m/s), a distância total (em km) percorrida
pelo vento com relação ao instrumento e as rajadas (em m/s).
Figura 3.7 – Anemômetro
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
11
Figura 3.8 – Anemógrafo
Devido a sua posição em relação a circulação geral da atmosfera, o Nordeste tem vento prevalecentes
do sudeste, que podem se tornar mais zonais de acordo com a época do ano (estação chuvosa).
Figura 3.9 – Direção média dos ventos de superfície em janeiro. (Fonte: Raudikivi, 1979)
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
Capítulo 1 Hidrologia Aplicada
Figura 3.10 – Campos de umidade relativa, movimento
vertical (500mb) e campos de vento
(200mb e 850mb) (Fonte: NMC/SAD).
Notas de Aula – Profa. Ticiana Marinho de Carvalho Studart
12