AULA 3
Disciplina INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS E MÉTODOS DE OBSERVAÇÃO
ACA 221 Graduação
Departamento de Ciências Atmosféricas / Iag / USP
Responsável: Prof. Humberto Ribeiro da Rocha
Material apresentado exclusivamente aos alunos da disciplina, com conteúdo referenciado
da literatura e disponível na www – NÃO CIRCULAR
Umidade do ar
• Umidade do ar: quantidade (relativa ou absoluta) de água
no ar, na fase gasosa (também chamada vapor).
* umidade do ar na fase líquida ou sólida, quando especificado.
Neblina
Ar seco
nevoeiro (visibilidade < 1km)
Ar muito
úmido
(condensação e formação de
gotículas no ar)
Ar seco
Orvalho
(condensação na
superfície)
Para definir e quantificar a umidade do ar:
•
umidade específica
•
umidade absoluta
•
razão de mistura
•
Pressão de vapor de agua
•
umidade relativa
Histórico
Anaxágoras (~500 AC) calor provoca ascensão de
ar
Horace de Saussure
(1740-1799) geológo
suíço
Aristóteles (~350 AC) Princípio dos 4 elementos
Água ascende da superfície e retorna como chuva
(o Ciclo Hidrológico)
Nikolaus Cusa (~1450) registrou que a massa da
madeira dependia da umidade
Conceito renascentista (d´Aviso, Halley, Saussure):
gota d´agua = Fogo (ou calor) envolvido por água
Henry Cavendish (~1800) Água (não é um
elemento) = hidrogênio + oxigênio
Higrômetro de De
Saussure
primeiro
higrômetro
científico
(com fio de
cabelo)
Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação
(Paris, ca 1830)
Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Medida da umidade do ar
Variáveis quantificadoras
1. Umidade específica
2. Pressão de vapor d´água
conceito de pressão de vapor de saturação
3. Umidade absoluta
4. Umidade relativa
Exemplo de Temperatura do ar em diferentes escalas
T ar (°C)
São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
Média
diária
(ex S.L. Paraitinga,
SP)
T ar (°C)
30/01 a 03/02/2008
Média
horária
T ar (°C)
19/12/2009
Medidas a cada
1 s (sensor
rápido)
Exemplo de umidade específica (g/kg) do ar em diferentes escalas
São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
q (gkg-1)
Média
diária
(ex S.L. Paraitinga,
SP)
q (gkg-1)
30/01 a 03/02/2008
Média horária
Exemplo de pressão de vapor d´agua (hPa) do ar em diferentes escalas
São Luiz do Paraitinga, Serra do Mar, SP
e(hPa)
Média
diária
(ex S.L. Paraitinga,
SP)
e(hPa)
30/01 a 03/02/2008
Média horária
Evaporação da água
equilíbrio dinâmico na interface
ar-água:
Ne = Nc
N = no de moléculas na interface líquidoar em c=condensação, e=vaporização:
Não há evaporação efetiva para a atmosfera,
a atmosfera não tende a umidecer ou secar.
(tipicamente N varia de 1 a 3 kg/m2/s)
Evaporação da água
equilíbrio dinâmico
N = no de moléculas na interface líquidoar sob (c=condensação, e=vaporização):
Ne = Nc
(tipicamente N varia de 1 a 3 kg/m2/s)
Não há evaporação efetiva para a
atmosfera,
a atmosfera não tende a umidecer ou
secar.
desequilíbrio
Ne > Nc
Há evaporação efetiva para a atmosfera, que tende a
umidecer.
Evaporação: ocorre em temperatura abaixo do ponto
de ebulição
efeito da evaporação: resfriamento do líquido, devido
ao escape das moléculas com mais energia cinética (e
portanto temperatura) em detrimento daquelas com menor
energia.
1º caso: por resfriamento
Saturação do ar
H2O (v)
ar (só fase gasosa)
q= umidade específica do ar
T= temperatura do ar
exemplo
T1 = 25oC
q1 = 12 g/kg
Ar resfriando
exemplo
T2 = 20oC
q2 = 12 g/kg
Ar resfriando
surgem gotículas (fase líquida) : o limiar
desta condição é a saturação do ar
exemplo
T3 = 16oC
q3 = 12 g/kg
2º caso: por adição de vapor
H2O (v)
exemplo
T1 = 25oC
q1 = 12 g/kg
adição de vapor d´água
exemplo
T2 = 20oC
q2 = 18 g/kg
adição de vapor d´água
surgem gotículas (fase
líquida): atingiu a saturação
exemplo
T3 = 25oC
q3 = 20 g/kg
Fenômenos comuns de saturação do ar na superfície
líquida
líquida
vapor
Saturação Caso 1 (p=cte)
Princípio de Clausius-Clapeyron
es depende da temperatura T
Exemplo:
vapor
Saturação Caso 2 (adição de vapor)
d´água de saturação (hPa)
líquida
vapor
es
pressão de vapor
Curva de saturação equilíbrio liquido - vapor
T
Temperatura (oC)
Diagrama de equilíbrio de fases da água
Pressão x Temperatura
UR (%)
Exemplo de umidade relativa do ar (em %) do ar em diferentes escalas
Média
diária
UR (%)
(ex S.L. Paraitinga,
SP)
30/01 a 03/02/2008
Média
horária
UR (%)
19/12/2009
Medidas a cada
1 s (sensor
rápido)
14 de Agosto de 2009 – um dia
muito seco de Inverno
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Classes de higrômetros
classificação segundo princípios de funcionamento, por :
1. remoção de vapor d´agua do ar
Químicos (papel indicador)
2. adição de vapor d´agua ao ar, atingindo a saturação
Psicrômetro
3. absorção ou adsorção de vapor d´agua
Mecânicos : higrômetro de fio de cabelo
Elétrico : capacitivos (humicap), resistivos (higristor)
4. obtenção do equilíbrio líquido-vapor, ou sólido-vapor da
água
Higrômetro de espelho resfriado
5. propriedades físicas do ar úmido
Analisador de gás infra-vermelho
Papel indicador de Cloreto de cobre
(não tóxico)
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Laboratório de Clima e Biosfera
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Psicrômetro de funda
(sling psychrometer)
Termômetro de bulbo seco
Termômetro de bulbo úmido
(com mecha úmida)
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Laboratório de Clima e Biosfera
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Princípio da psicrometria
(grego psucron = frio + metron = medida)
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Ebulição (não altera temperatura, fica no P.E.)
Evaporação (ampla faixa de temperaturas)
notas de aula
evaporação e ebulição
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Interpretação da UR (%) do psicrômetro, em função
da depressão do bulbo úmido e da temperatura do
ar (em oC).
Fonte : Brock and Richardson (2001)
Referências:
Bolton, D., The computation of equivalent potential temperature, Monthly Weather Review, 108, 1046-1053, 1980.
Research Manuals, 1996 (Buck, A. L., New equations for computing vapor pressure and enhancement factor, J. Appl. Meteorol., 20, 1527-1532, 1981.)
Detwiler, A., Extrapolation of the Goff-Gratch formula for vapor pressure over liquid water at temperatures below 0°C, J. Appl. Meteorol., 22, 503, 1983.
Goff, J. A., and S. Gratch, Low-pressure properties of water from -160 to 212 F, in Transactions of the American society of heating and ventilating engineers, pp 95-122, presented at the 52nd
annual meeting of the American society of heating and ventilating engineers, New York, 1946.
Goff, J. A. Saturation pressure of water on the new Kelvin temperature scale, Transactions of the American society of heating and ventilating engineers, pp 347-354, presented at the semi-annual
meeting of the American society of heating and ventilating engineers, Murray Bay, Que. Canada, 1957.
Grabowski, W., Toward Cloud Resolving Modeling of Large-Scale Tropical Circulations: A Simple Cloud Microphysics Parameterization. J.A.S., 55, 3283-3298, 1998.
World Meteorological Organization, General meteorological standards and recommended practices, Appendix A, WMO Technical Regulations, WMO-No. 49, 1988.
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Correção da pressão atmosférica
es corrigida = es . f
f ( fator de correção, influência ordem de 10-3)
f = 1,0016 + 3,15. 10 -6 p
- 0,074/p
(p em hPa)
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Estimativa prática da
umidade do ar por
psicrometria
notas de aula
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Abrigo de
radiação do
higrômetro
com aletas
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Acurácia do psicrômetro
aspirado
Erro do psicrômetro em função do erro de
0,1 oC da depressão do bulbo úmido.
Fonte : Brock and Richardson (2001)
Estimativa prática da umidade relativa do ar
UR = (e / es) x
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Laboratório de Clima e Biosfera
100%
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
e = es (p,Tw) – A . p . (T – Tw)
e, esw , p (em hPa)
(T, Tw) em oC
Constante psicrométrica A
i) ventilação forçada
A = 6,2 . 10-4 oC-1 (ventilação forçada > 4 m/s, bulbo coberto com água líquida)
A = 5,4 . 10-4 oC-1 (ventilação forçada > 4 m/s, bulbo coberto com gelo)
(ii) (ventilação forçada ou natural)
A = a ( 1 + 9,44 . 10-4 Tw) . 10-4
a = 6,53 (aspirado)
12
(não aspirado)
(Tw em oC)
(iii) Uso de constante simplificada : psicrômetros de ventilação natural
A = 8,0 . 10-4 oC-1
(alternativa simplificada p/ abrigo meteorológico convencional)
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
3. por obtenção do equilíbrio líquido-vapor, ou sólido-vapor da água
Higrômetro de espelho resfriado
(chilled mirror higrometer)
T - Tw
Tdew
(p=1000 hPa)
Temperatura do ponto de orvalho
(Tdew): temperatura que o ar deve ser
resfriado (à pressão constante) para
saturar
Muito alta (por ex > 20oC): desconforto quente
e úmido
Muito baixa (por ex < 10oC): desconforto seco
(vias respiratórias, pele)
Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação
Tdew pode ser negativa: se
Laboratório de Clima e Biosfera
da geada)
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T ≈ 0o C (limiar
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Higrômetro de espelho resfriado
(chilled mirror higrometer)
3
1
2 espelho
cooler / heater
mantêm T=Tdew
3
2
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Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
4. por absorção ou adsorção de vapor d´agua
Mecânicos
Elétricos
Higrômetro elétrico
(capacitivos, resistivos)
de aula Disciplina
ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação
Higrômetro Notas
do tipo
humicap
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Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
10 cm
~1 cm
Superficie sensível
Funcionamento eletrônico no higrômetro do tipo humicap
Filme capacitor
ddp
a) fornece tensão de entrada continua/e (ddp = supply voltage) para
amplificar o sinal de saída (fraco)
b) obtêm tensão de saida no capacitor proporcional U = Q / C
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
de aula Disciplina
ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação
Higrômetro Notas
do tipo
humicap
Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Intervalo de operação- 40 to 60° C
Alimentação ~ 5 mA
Interavalo de medição 0.8 to 100% UR
Acurácia ±3% UR (0 to 100%)
Estabilidade <1%UR / ano
Tempo de resposta ~10 seconds
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Higrômetro mecânico
(fio de cabelo)
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Laboratório de Clima e Biosfera
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Elongamento do fio de cabelo (% em relação ao comprimento) em
função da umidade relativa do ar
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
escala de 10% a 100% de UR
acurácia de 5%
Erro aumenta para umidades
extremas.
Tempo de resposta
~ 3 minutos, depende da
temperatura.
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
5. Por medidas das propriedades físicas do ar úmido
Higrômetro
analisador de gás por infra-vermelho
Notas de aulado
Disciplina
ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação
Princípio : absorção
infra-vermelho
Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Banda ideal : onde outros gases não absorvem
Camara de material transparente à banda do espectro
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Higrômetro
analisador de gás por infra-vermelho
4
3
5
1
2
4
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Laboratório de Clima e Biosfera
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Analisador infravermelho de
caminho aberto
Espectro de absorção
do infra-vermelho