Post on 18-Apr-2015
Ventos
Disciplina: Fundamentos de Meteorologia – EAM 10Instituto de Recursos Naturais – Universidade Federal de Itajubá
Prof. Marcelo de Paula Corrêa
O que chamamos de vento ?
Quaisquer movimentos do ar atmosférico, que ocorrem naturalmente no interior do fluido, à superfície ou a grandes alturas, podem ser designados genericamente como VENTO!
No entanto, o VENTO é usualmente medido apenas pelas componentes horizontais de sua velocidade. Estas componentes são importantes para o mecanismo termodinâmico da atmosfera já que são eficientes para transportar calor, massa e momento.
A componente vertical, importante para formação de nuvens e precipitação, são geralmente determinadas a partir das componentes horizontais. A grande dificuldade para medi-la ou estimar as componentes verticais está na ordem de grandeza, cerca de 1000 vezes menor que as horizontais. Portanto, é útil separar o componente horizontal do vento (leste-oeste e norte-sul) do componente vertical (para cima e para baixo).
As forças atuando sobre parcelas de ar são:
1) força do gradiente de pressão;
2) força de Coriolis;
3) força centrífuga;
4) a força de atrito; e
5) a força da gravidade.
Conceitos básicos
Velocidades linear (v) e angular ()
Sv
v
r
t e
t
Sv
rv
dt
dr
dt
dS
t
Slim0t
tr
t
S rS Como
0t
Força centrípeta (Fcp)
Lembrete!!! 1a Lei de Newton v = constante se F=0
v1v2
rv
vv1 v2
|v1| |v2|=
Conceitos básicos
Força centrípeta (Fcp)
v
a
t vta
v1
v2
at
v1v2
rr-a : vetorialforma na ,ou
r
vrva então
dt
d
tlim
2
22
0t
v1=v2=v
Conservação do momento angular (L)
a=acp + at
O momento angular (L) de uma partícula em relação a um referencial é o produto vetorial do vetor posição (r) pela quantidade de movimento (p) da dita partícula
L = r X p onde: p = mv e L é perpendicular a r e p
Lei da conservação do momento angular: O momento angular de um sistema permanece constante, a menos que seja aplicado um torque externo a esse sistema.
Conceitos básicos
Conservação do momento angular (L)
r=Rt cos
Rt
v
L
r
L=r X mv = r m v sen (90°) j
L = r v (módulo por unidade de massa)
ou então…. L = r2
r v
L = Rt2 cos2
Exemplo: Uma parcela de ar no equador em repouso em relação à superfície (v= Rt).
Se essa parcela é forçada a se deslocar para os pólos por meio de uma força dirigida para o eixo de rotação ela chegará a latitude com velocidade v’=v/cos . Portanto terá uma velocidade cada vez maior na direção L-O à medida que se desloca para os pólos.
xx
yz
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Força do gradiente de pressão (FGP)
x
p1
m
F Vm como
Vx
pxS
x
pSx
x
pppSFFF
Sxx
ppF pSF
xx
ppp pp Se
x
axbxx
axbx
ab
FaxFbx
z
x
y
(xo,yo,zo)V=xyz
Como o mesmo pode ser escrito para as dimensões y e z, temos:
p1
m
F k
z
pj
y
pi
x
p1
m
F GPGP
gradiente de pressãorepresenta a variação de uma grandeza escalar no espaço
p representa um vetor em O, dirigido de B para A, portanto com força de A para B.
Exemplo:BRISA MARÍTIMA
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Gravidade real e efetiva
(atração mútua entre os corpos)
2
g
2gr
GM
m
F*g
r
GMmF
Se a Terra está em rotação, a força indicada numa balança é geralmente menor, em virtude do efeito centrífugo da rotação. Portanto, a gravidade efetiva é simplesmente a soma da gravidade real (g*) com a aceleração centrífuga
g = g* + 2 r Ao nível do mar e 45° de latitude: g = 9,80616 m/s2
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Forças de fricção ou viscosas
L
AuF o
r
u(0)=0
u(1)=uo
u(z)
uo
z = 1
z = 0
L fluido incompressível
fixa
A força tangencial aplicada sobre a placa superior (Fr) e capaz de mantê-la em M.U. é diretamente proporcional a área da placa e inversamente proporcional a distância entre as mesmas:
Obs.: Para que o M.U. seja mantido cada camada horizontal deve exercer a mesma força que a imediatamente inferior. Conseqüentemente, tomando o limite (z0), pode-se escrever a força viscosa por unidade de área Tensão de Cisalhamento (TC).
)0(z)1(z
)0(u)1(ulim
z
ulim
z
u
:ondez
u
A
F
0z0z
zxr
zx expressa a componente da TC na direção x,
em razão do cisalhamento de escoamento do fluido na direção z.
Isto é, representa o transporte de momento de cima para baixo em virtude do movimento aleatório das moléculas
xx
yz
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Forças de fricção ou viscosas – continuação
z
u
A
Fzx
r
é aplicada para um escoamento bi-dimensional,
incompressível e em estado permanente
Para o caso transiente, tem-se:2
2
zxz
u
z
1
onde: == coef. visc. cinemática
Se considerarmos todas as direções:
vF 2r
vKF 2
r
processos moleculares
processos turbulentos
2
2
2
2
2
22
zyx
operador Laplaceano
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Força de Coriolis (Fco)
Movimento inercial como visto de um sistema newtoniano (linha reta) e de um sistema em rotação (linha curva). Exemplo: uma parcela de ar que se move na atmosfera com um movimento relativo à superfície da Terra.
A força de Coriolis atua perpendicular ao vetor velocidade (relativo ao sistema em rotação – Terra), podendo apenas mudar a trajetória da partícula e jamais a velocidade
Fco atua à direita de v no HNe à esquerda de v no HS
PN
Deflexão que ocorre no deslocamento Oeste-Leste
Deflexão que ocorre no deslocamento Norte-Sul
Surge como conseqüência de observarmos os movimentos do ar num sistema de coordenadas não inercial, isto é, um sistema de coordenadas fixo sobre a superfície, que gira com ela
ΩTerra = 7,292 x 10-5 s-1
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Força de Coriolis (Fco) – expressão matemática
R
R
u
R
Ru2RR
R
u2
22
2Força centrífuga total que atua
sobre a partículapor unidade de massa
=
u << R
aceleração centrífuga devidaexclusivamente à rotação forças defletoras que atuam
perpendicularmente ao eixo de rotação
Considerando uma parcela de ar deslocando de Oeste para Leste com velocidade u em relação à superfície, a velocidade angular da Terra e R o vetor que liga o eixo de rotação à parcela:
R
Ru2
m
Fco
sua ação é perpendicular ao vetor velocidade !!! 2u cos
2u sen
R
aN-S= (dv/dt)co = – 2u sen
avertical = (dw/dt)co = 2u cos
A parcela que se desloca deLeste Oesteterá:
Fco/m
PN
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Força de Coriolis (Fco) – expressão matemática
Suponha agora que uma parcela se desloca ao longo de um meridiano, do pólo para o equador. Como não existem torques de leste oeste, então: R2 = constante!!!
Se R aumenta, então vai diminuir e será desviada de leste para oeste
aL-O= (du/dt)co = 2v sen = 2 fv v velocidade (spf) ao longo de um meridiano
De modo semelhante, uma partícula lançada para cima adquirirá em razão de Coriolis uma aceleração zonal (ao longo de um paralelo) igual a – 2 w cos , onde w é a componente vertical da velocidade da partícula (em relação à spf). Portanto, no caso geral, a Fco contribuirá para acelerar o ar em diversas direções:
aL-O= (du/dt)co = 2v sen – 2w cos
aN-S= (dv/dt)co = – 2u sen
avertical = (dw/dt)co = 2u cos
Fco= – 2 X v
v =u i + v j + w k
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Força de Coriolis – quantitativamente
Imaginemos um foguete lançado do Polo Norte para um alvo no equador (Fig. 7.6). Se o foguete leva 1 hora para atingir o alvo, a Terra terá girado 15° para leste durante o vôo. Para alguém fixo sobre a Terra pareceria que o foguete desviou sua rota e atingiu a Terra 15° a oeste de seu alvo. Na realidade, a trajetória do foguete foi reta e assim seria vista por um observador fixo no espaço. Foi a rotação da Terra que produziu, para um observador na Terra, a aparente deflexão. Note que o foguete foi desviado para a direita de seu percurso devido à rotação anti-horária do HN (visto do espaço). Rotação horária do HS (visto do espaço) produz desvio para a esquerda.
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Força de Coriolis – qualitativamente
V = 15 m/sΩ = 7,292 x 10-5 s-1
Φ = 40°
Fco = 1,41 x 10-3 N/kg (m/s2)
Obs: a Força de Coriolis depende da latitude, sendo nula no
equador e máxima nos pólos (A rotação do nosso sistema de referência é máxima nos pólos e diminui com a latitude, até anular-se no equador).
A Força de Coriolis só é “sentida” em escalas de tempo de duração comparável à rotação da Terra.
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
Uma vez conhecidas as forças fundamentais, temos que:
Fdt
vd
onde v representa a velocidade de uma parcela de ar em relação à superfície da Terra
rFgp1
v 2dt
vd
Expressando a equação acima em suas 3 componentes
ux
p1cosw2sen v2
z
uw
y
uv
x
uu
t
u 2
vy
p1sen u2
z
vw
y
vv
x
vu
t
v 2
wgz
p1cosu2
z
ww
y
wv
x
wu
t
w 2
zonal
meridional
vertical *
Forças fundamentais que atuam na atmosfera
zz
Ty
y
Tx
x
Tt
t
TT
derivada local derivada total
z
Tw
y
Tv
x
Tu
t
TT
Dividindo por t e fazendo t 0
Tvt
TT
advecção
Principais tipos de ventos Vento geostrófico
Vento geostrófico: Escoamento horizontal, uniforme, paralelo às isóbaras e ocorre nos níveis superiores da atmosfera, onde os efeitos de fricção são desprezíveis
ux
p1cosw2sen v2
z
uw
y
uv
x
uu
t
u 2
vy
p1sen u2
z
vw
y
vv
x
vu
t
v 2
zonal
meridional
Lembrando que:
E definindo: f = 2 sen
x
p1v f g
y
p1u f g
zonal
meridional
Temos então:
No vento geostrófico FGP equilibra-se com Fco, resultando num escoamento com velocidade constante (vg), paralelo às isóbaras. Portanto, no HN as baixas pressões estarão sempre à esquerda do vento, e no HS, à direita (lei de Buys-Ballot)
p
p – dp
HS
Fco
Fgp
Principais tipos de ventos Vento geostrófico
y
p1V f g
x
p1v f g
y
p1u f g
vgvg
ug
Como o gradiente de pressão é normal às isóbaras, é comum se escrever:
n
p1V f g
n
p
f
1Vg
vg é proporcional ao G.P. e inversamente proporcional à latitude e a densidade do ar
Obs: O vento geostrófico não é a melhor aproximação perto do equador e em escoamentos excessivamente curvos (o que é frequente na atmosfera).
Principais tipos de ventosVento geostrófico
Lei de Buys Ballot: “De costas para o vento no HN a pressão baixa estará à esquerda e a pressão alta à direita. No HS a pressão alta estará à esquerda e a pressão baixa à direita."
Obs: Essa lei é válida para vento em ar superior, deve-se ter cuidado ao analisar ventos em superfície!
balanço geostrófico
Exercício – Vento geostrófico
Numa região próxima a 40° S as isolinhas de altura da superfície isobárica de 500 mb estão orientadas leste-oeste e o espaçamento entre isolinhas adjacentes com diferença de 40 m é 200 km, com altura decrescendo para o sul. Qual é a direção e velocidade do vento geostrófico? (Exercício retirado da apostila de meteorologia básica Alice Grimm, 2005)
A velocidade do Vg é dada por: GP co g
g
1 p| F | | F | 2 v sen
n
1 p 1 pv
2 sen n f n
GP
GP
F 1 1 pp |F | (horizontal)
m n
Exercício – Vento geostrófico – continuação
p pSe n e z são pequenos, então e são ctes.
n zNo lim(dist Q-R) 0 n dn e z dz
p 500mb
dzdado !
dn
p
n
Qual a relação com ?
0zz
pn
n
p 0p RQ
p
pdz n
pdnz
Exercício – Vento geostrófico – continuação
p p
dz 1 p 1 p dz ou g
dn g n n dn
)isobáricas scoordenada (em n
z
dn
dz
p
1 p z
gn n
Pela equação hidrostática: tem-se que:gz
p
g
g z g zv
2 sen n f n
Com g = 9,8 m/s2, Ω = 7,292x10-5 s-1, Φ = 40°, 4z2.10 m / m
n
Substituindo em vg →
vg = 20,9 m/s Direção: O L
Principais tipos de ventos Vento gradiente
isóbaras não são linhas retas
células aproximadamente circulares
centro circulares dealta e/ou baixa pressão
FORMA DO CAMPODE PRESSÃO
MODIFICA OVENTO GEOSTRÓFICO
ALTERA A VELOCIDADE
DIREÇÃO CONTINUA// ISÓBARAS
Principais tipos de ventosVento gradiente
adaptado de Grimm, 2005
Balanço entre:FGP, Fco, Fc
(Fc = v2/R)
ciclones
anti-ciclones
Centros de Baixa Pressão: CICLONES
Centros de Alta Pressão: ANTI-CICLONES
Principais tipos de ventosVento gradiente
A
v
Fco Fgp
B
vFgp Fco
anti-ciclônico ciclônicoanti-horáriohorário
B
v
Fgp Fco
A
vFco Fgp
ciclônico anti-ciclônico
anti-horáriohorário
Vento gradiente: Escoamento horizontal, paralelo às isóbaras, as quais são curvas, e ocorre nos níveis superiores da atmosfera. Para um observador fixo na Terra, tais escoamentos são associados a uma força centrífuga (v2/R), resultante entre a Fco e FGP
HS
HN
esc
oa
me
nto
gra
die
nte
FcFc
FcFc
Principais tipos de ventosVento gradiente
4
Rf
n
p
n
pR
4
fR
2
Rfv
0n
pRRfvv
R
v
n
p1fv
FFF
2
22
2
2
cGPco
Velocidade do vento gradiente em torno de uma alta pressão
Para que haja equilíbrio numa alta:GP deve ser limitado tornando-se cada vez menor em direção ao centro (R ↓)
v = (Rf/2) – ... v = (Rf/2) + ...
Principais tipos de ventosVento gradiente
Velocidade do vento gradiente em torno de uma baixa pressão
Não há limitação para que haja equilíbrio numa baixa.É comum a ocorrência de fortes baixas pressões com fortes gradientes de pressão e fortes ventos associados, enquanto os centros de alta pressão são normalmente mais "achatados", com gradiente de pressão e ventos associados mais fracos.
v = (– Rf/2) + ... v = (– Rf/2) – ...
n
pR
4
fR
2
Rfv
0n
pRRfvv
fvR
v
n
p1
FFF
22
2
2
ccoGP
Exercício – Vento gradiente
f = 2 Ω sen20° = 4,98.10–5 sρ = 1,25 kg/m3
∂p/∂n = 50*102/105 = 0,05 Pa/m
vg = (1/ρf)(∂p/∂n) = [1/(1,25* 4,98.10–5)]*(0,05) = 820 m/s
Se as trajetórias do ar forem consideradas circulares em torno do centro da temperatura:
Numa região a 50 km do centro de um intenso furacão, há um gradiente de pressão radial de 50 mb por 100 km. A temperatura está localizada em 20° N. Calcule as velocidades dos ventos geostrófico e gradiente. (Exercício retirado da apostila de meteorologia básica Alice Grimm, 2005)
n
pR
2
Rf
2
Rfv
2
Com R = 50.103 m → v = 43,5 m/s (situação anômala) ou v = – 46,0 m/s (situação normal, em torno da BP)
Fc >> Fco
Principais tipos de ventos
12 2
g
fr fr r pv
2 2 n
Vento ciclostrófico: Escoamento atmosférico curvo (em relação à superfície) de escala horizontal suficientemente pequena (tornados e redemoinhos), em que Fco pode ser desprezada quando comparada com FGP
Só ocorre em torno de um centro de baixa pressão (escoamento ciclônico). Tal escoamento é um caso particular do escoamento gradiente em que f = 0.
21
c n
prv
Exemplo: Tornados. Fenômenos de pequeno raio (~300m) e ventos fortes (+ 100km/h). Embora Fco seja desprezível, no HN os tornados giram no sentido anti-horário, enquanto que no HS giram no sentido horário. Isso se deve a atuação de Fco no início do processo de formação. Em vórtices menores, como nos redemoinhos, Fco não age e, portanto, o giro ocorre em qualquer sentido.
Principais tipos de ventos
2
1p p
plnT k
f
Rv T
Vento térmico: diferença entre o vento geostrófico entre duas superfícies isobáricas. A denominação vento térmico se deve ao fato de que ele somente existe se houver um gradiente horizontal de temperatura ao longo das superfícies isobáricas.
O vento térmico entre dois níveis Z1 e Z2 é matematicamente expresso por:
Obs: Embora o regime de ventos na média e alta troposfera seja bastante diferente em relação à baixa atmosfera, tais regimes estão relacionados entr si por meio da temperatura média da camada de ar. Isto é matematicamente demonstrado combinando-se a equação do estado com a do equilíbrio hidrostático:
TR
gpg
z
p
Ventos próximos à superfície
ATRITO Importante nos 1os km da atmosfera ↓v e, portanto, ↓Fco
↓v e, portanto, FGP permanece a mesmaFGP > Fco
Portanto, o ar cruzará as isóbaras em direção à área de menor pressão.
Ψ ~ 10° (oceanos) a Ψ ~ 45° (terreno rugoso)
Ventos próximos à superfície
B A
ciclone em superfície no HS anti-ciclone em superfície no HS
CONVERGÊNCIA DIVERGÊNCIA
Dispositivos para medição do vento
Anemometria: Determinação quantitativa do vento, em termos do módulo de sua velocidade e direção. Observação do vento à superfície
Catavento de Wild: Grosseiro instrumento mecânico, constituído por um detector de direção (grimpa) e um indicador de velocidade. São instalados em um mastro a cerca de 10m do solo. A grimpa possui um contrapeso e duas aletas. Quatro varetas abaixo da grimpa dão as direções dos pontos cardeais. O indicador de velocidade é uma placa presa ao próprio eixo de rotação da grimpa, mantendo-se sempre perpendicular ao vento.
Anemômetros (indicadores) e anemógrafos (registradores) de conchas: Possuem 3 ou 4 conchas, hemisféricas ou cônicas, de metal dispostas simetricamente num plano horizontal. O movimento circular aciona um gerador elétrico (anemômetros auto-geradores) ou um contador de voltas (anemômetros totalizadores – velocidade média). Uma das restrições se deve a inércia, já que as conchas precisam que o vento atinja certa velocidade par aque iniciem a rotação. O inverso pode ocorrer após uma rajada forte.
Dispositivos para medição do vento
Observação do vento à superfície Anemômetros e anemógrafos termoelétricos: São mais precisos. Têm como
elemento sensível a platina ou o tungstênio. Em alguns modelos o sensor, mantido à temperatura constante, é exposto ao vento e a
velocidade é obtida através da medição da corrente elétrica necessária para manter a temperatura constante.
Em outros a corrente é que se mantém constante e a variação da temperatura é o termo dependente da velocidade do vento.
Ambos são usados em locais onde o deslocamento do ar é pequeno, como no interior de culturas agrícolas. São pequenos e fáceis de ser instalados até mesmo em mastros para determinação da variação vertical da velocidade.
Anemógrafo universal: Instrumento mecânico que serve para registrar a direção e as velocidades instantânea e média do vento. Possuem 3 sensores e 4 penas registradoras. O sensor de direção é uma grimpa conectadas a alavancas, o de velocidade são conchas e a rotação das mesmas mede a distância percorrida. A velocidade instantânea é medida através de um tubo de pitot que aciona a quarta pena registradora. É de grande porte e servem para registrar ventos a 10m de altura cuja velocidade de direção são requeridas para estudos sinóticos. Não são usados para perfis.
Dispositivos para medição do vento
Observação do vento à superfície Anemômetros sônico: Consistem de três pares de emissores-receptores de
sons ortogonais. Cada par é capaz de detectar sutis variações entre emissões e recepções de sons. A velocidade de escoamento é deduzida indiretamente a partir das alterações provocadas. Pode ser instalado de maneira a medir componentes orientadas do vento (L-O, N-S, etc.) passando a fornecer as componentes zonal, meridional e vertical da velocidade do ar.
Observação do vento em níveis elevados da atmosferaUtiliza-se sensores acoplados a balões Sondagens ópticas: Medindo-se o ângulo de elevação e o azimute do balão
em intervalos regulares é possível estimar sua trajetória. Existem diversos problemas relacionados ao método, tais como a presença de nuvens.
Radioventossondas: Sucessivas posições de uma radiossonda em vôo, obtidas eletronicamente.
Escalas de sistemas meteorológicos
Tipo Dimensão Tempo
rajadas ~cm ~s
redemoinhos ~m ~min
tempestades km ~1h
linhas de instabilidade 10-100 km ~1 dia
ciclones/anti-ciclones 100-1000 km vários dias
ondas planetárias globo sazonais
Perguntas…
Quando a força de Coriolis que atua sobre uma parcela que se desloca em relação à superfície da Terra, em qualquer latitude, é exatamente igual a zero ?
Considere um centro de alta pressão, em larga escala espacial, no HS. Em que sentido o ar deve circular em torno deste centro, na alta atmosfera ? Pode ocorrer circulação no sentido oposto ?