AULA I INTRODUO.... 1. O QUE METEOROLOGIA ? A Meteorologia a cincia que estuda o Tempo e o Clima. Seu objetivo o entendimento dos processos fsicos e qumicos que determinam o estado da atmosfera nas mais variadas escalas espaciais e temporais, abrangendo desde a turbulncia local at a circulao atmosfrica e ocenica globais. O progresso no conhecimento desta cincia de vital importncia para o desenvolvimento do Pas, em especial nos setores agrcola, energtico, conservao do meio ambiente.

A meteorologia (do grego meteoros, que significa elevado no ar, e logos, que significa estudo) a cincia que estuda a atmosfera terrestre. Seus aspectos mais tradicionais e conhecidos so a previso do tempo e a climatologia. O tempo pode ser definido como o estado da atmosfera em determinado instante e lugar. O clima tem sido freqentemente definido como um " tempo mdio ", ou seja, um conjunto de condies normais que dominam uma regio, obtidas das mdias das observaes durante um certo intervalo de tempo. Contudo, variaes e condies extremas do tempo tambm so importantes para caracterizar uma regio. Por exemplo, fazendeiros esto interessados no apenas em conhecer a precipitao mdia de novembro, mas tambm a freqncia de novembros extremamente secos. Da mesma forma o gerenciamento de recursos hdricos exige o conhecimento no apenas de valores mdios, mas tambm de valores extremos e sua probabilidade de ocorrncia. Portanto, o clima o conjunto de toda a informao estatstica sobre o tempo em determinado local. A longo prazo o clima que determina se uma regio ou no habitvel e sua vegetao natural; num prazo mais curto, o tempo que condiciona a segurana dos meios de transporte, a forma de lazer, a disperso de poluentes e as atividades da agricultura.

As condies do tempo so descritas em termos de alguns elementos bsicos, que so quantidades ou propriedades medidas regularmente. Os mais importantes so :

(1) a temperatura do ar, (2) a umidade do ar, (3) a presso do ar,

(4) a velocidade e direo do vento, (5) tipo e quantidade de precipitao e (6) o tipo e quantidade de nuvens.

Estudaremos estes elementos inicialmente de forma isolada, mas importante ter em mente que eles so muito correlacionados.

A Meteorologia no seu sentido mais amplo uma cincia extremamente vasta e complexa, pois a atmosfera muito extensa, varivel e sede de um grande nmero de fenmenos. Contudo, certas idias e conceitos bsicos esto presentes em todas as reas da meteorologia. Esses conceitos mais gerais so abordados em disciplinas tradicionais da Meteorologia : a Meteorologia Fsica, a Meteorologia Sintica, a Meteorologia Dinmica e a Climatologia.

A Meteorologia Fsica estuda os fenmenos atmosfricos relacionados diretamente com a Fsica e a Qumica:

processos termodinmicos, composio e estrutura da atmosfera, propagao da radiao eletromagntica e ondas acsticas

atravs da atmosfera, processos fsicos envolvidos na formao de nuvens e

precipitao, eletricidade atmosfrica, reaes fsico-qumicas dos gases e partculas, etc...

Dentro da Meteorologia Fsica tem se desenvolvido o campo da aeronomia, que trata exclusivamente com fenmenos na alta atmosfera.

A Meteorologia Sintica est relacionada com a descrio, anlise e previso do tempo. Na sua origem era baseada em mtodos empricos desenvolvidos na 1 metade do sculo, seguindo a implantao das primeiras redes de estaes que forneciam dados simultneos (isto , sinticos) do tempo sobre grandes reas. Atualmente utiliza os conhecimentos gerados nas diversas disciplinas da Meteorologia, em especial a Meteorologia Dinmica.

A Meteorologia Dinmica tambm trata dos movimentos atmosfricos e sua evoluo temporal mas, ao contrrio da Meteorologia Sintica, sua abordagem baseada nas leis da Mecnica dos Fludos e da Termodinmica Clssica. a base dos

atuais modelos atmosfricos de previso do tempo nos principais centros de previso dos pases desenvolvidos. Sua principal ferramenta so os computadores. Com a crescente sofisticao dos mtodos de anlise e previso do tempo a distino entre a Meteorologia Sintica e Dinmica est rapidamente diminuindo.

A Climatologia estuda os fenmenos atmosfricos do ponto de vista de suas propriedades estatsticas (mdias e variabilidade) para caracterizar o clima em funo da localizao geogrfica, estao do ano, hora do dia, etc.

Classificar exatamente os diversos ramos da Meteorologia muito difcil. So reas do conhecimento que se inter-relacionam e se sobrepem. Pode-se identificar estes ramos atravs de vrios critrios. A seguir so dados alguns exemplos desses critrios, bem como os principais objetos de estudo dentro de cada uma dessas reas da Meteorologia.

a) Segundo a regio de estudo: - Meteorologia Tropical: furaces, desertos, interao oceano-atmosfera, El Nio.

- Meteorologia de Latitudes Mdias : frentes frias, ciclones, geadas, nevascas, correntes de jato. - Meteorologia Regional : brisa martima, circulao de vales e montanhas, "ilhas de calor" urbanas, efeitos topogrficos, nevoeiros.

- Micrometeorologia : interaes superfcie-atmosfera, fluxos de calor e massas, estabilidade atmosfrica.

- Meteorologia de meso-escala : fenmenos severos que ocorrem em perodos de at 1 dia em regies localizadas, tais como tornados, "micro-exploso", chuvas intensas, ventos fortes e linhas de instabilidade.

b) Segundo a aplicao : - Meteorologia Aeronutica : apoio a operaes de pouso e decolagem, planejamento de rotas e aeroportos. - Meteorologia Marinha : estudos de interao ar-mar, previso de mars e ondas, planejamento de rotas.

- Meteorologia Ambiental : estudos e controle de poluio atmosfrica, planejamento urbano. - Agrometeorologia : projetos agrcolas, plantio e colheitas, produtividade, novas espcies.

- Hidrometeorologia : planejamento e impacto de reservatrios, controle de enchentes e abastecimento.

- Biometeorologia : influncia do tempo sobre a sade, reaes e modo de vida do homem, animais e plantas.

c) Segundo a tcnica ou equipamento utilizados : - Radiometeorologia : propagao de micro-ondas em enlaces de telecomunicaes, quantificao de precipitao por radar, deslocamento de tempestades, ventos com radar Doppler.

- Meteorologia com Satlites : auxlio previso, balanos de energia, ventos, precipitao, estrutura trmica e de vapor d'gua na atmosfera, estudos de recursos naturais e produtividade agrcola.

Assim como ocorre uma integrao cada vez maior entre as vrias subdisciplinas na Meteorologia, esta tambm interage cada vez mais com outras reas cientficas. Alm disso, tecnologias sofisticadas como, por exemplo, aquelas associadas ao radar e satlites, permitem observao e monitoramento mais detalhado da atmosfera e computadores de alta velocidade tornaram possvel lidar com complexos modelos numricos da atmosfera. O acervo crescente de conhecimentos na Meteorologia est sendo aplicado a uma grande gama de problemas prticos, incluindo:

previso de fenmenos atmosfricos que influenciam as atividades humanas (por exemplo, o tempo no dia-a-dia, riscos para a aviao, secas, tempestades severas, eventos na alta atmosfera que possam afetar as rdio-comunicaes),

avaliao do impacto das atividades humanas sobre o meio atmosfrico (por exemplo, poluio do ar, modificao da composio da atmosfera, tempo e clima),

modificaes benficas de certos processos fsicos que agem em pequena escala (por exemplo, supresso de granizo, aumento e redistribuio da precipitao) e,

fornecimento das informaes estatsticas bsicas da atmosfera necessrias para planejamento de longo prazo (por exemplo,

zoneamento de uso do solo, projeto de edifcios, especificaes para aeronaves).

desnecessrio enfatizar a importncia da Meteorologia. Vrios aspectos da nossa vida cotidiana so afetados pelo tempo: nosso vesturio, nossas atividades ao ar livre, o preo dos produtos hortifrutigranjeiros. Ocasionalmente, as condies de tempo so extremas e o impacto pode estender-se de uma mera inconvenincia a um desastre de grandes custos materiais e perda de vidas humanas. Os meios de transporte (terrestre, martimo e areo) dependem muito do tempo. O tempo e o clima so decisivos tambm para a agricultura, zootcnica e gerenciamento de recursos hdricos. Em adio a estes aspectos tradicionalmente reconhecidos, tem havido e continuar havendo uma demanda crescente por decises polticas envolvendo a atmosfera, relacionados poluio e seu controle, efeitos de vrios produtos qumicos sobre a camada de oznio e outros impactos ambientais. Portanto, h necessidade de crescente conhecimento sobre a atmosfera e seu comportamento.

Antes de iniciar o estudo dos elementos do tempo e do clima em detalhe, vamos apresentar uma introduo geral s propriedades fsicas e qumicas da atmosfera.

1.2 A ATMOSFERA

A atmosfera uma camada relativamente fina de gases e material particulado (aerossis) que envolve a Terra. De fato, 99% da massa da atmosfera est contida numa camada de ~0,25% do dimetro da Terra (~32 km). Esta camada essencial para a vida e o funcionamento ordenado dos processos fsicos e biolgicos sobre a Terra. A atmosfera protege os organismos da exposio a nveis arriscados de radiao ultravioleta, contm os gases necessrios para os processos vitais de respirao celular e fotossntese e fornece a gua necessria para a vida.

Fig. 1.1 Composio do ar seco

a) Composio da Atmosfera A composio do ar no constante nem no tempo, nem no espao. Contudo se removssemos as partculas suspensas, vapor d'gua e certos gases variveis, presentes em pequenas quantidades, encontraramos uma composio muito estvel sobre a Terra, at uma altitude de ~ 80 km (Fig. 1.1 e Tab. 1.1).

Gs Porcentagem Partes por Milho

Nitrognio 78,08 780.000,0

Oxignio 20,95 209.460,0

Argnio 0,93 9.340,0

Dixido de carbono 0,035 350,0

Nenio 0,0018 18,0

Hlio 0,00052 5,2

Metano 0,00014 1,4

Kriptnio 0,00010 1,0

xido nitroso 0,00005 0,5 Hidrognio 0,00005 0,5

Oznio 0,000007 0,07

Xennio 0,000009 0,09

Tabela 1.1 Principais gases do ar seco

O nitrognio e o oxignio ocupam at 99% do volume do ar seco e limpo. A maior parte do restante 1% ocupado pelo gs inerte argnio. Embora estes elementos sejam abundantes eles tem pouca influncia sobre os fenmenos do tempo. A importncia de um gs ou aerossol atmosfrico no est relacionado a sua abundncia relativa. Por exemplo, o dixido de carbono, o vapor d'gua, o oznio e os aerossis ocorrem em pequenas concentraes mas so importantes para os fenmenos meteorolgicos ou para a vida.

Embora constitua apenas 0,03% da atmosfera, o dixido de carbono essencial para a fotossntese:

Por ser um eficiente absorvedor de energia radiante (de onda longa) emitida pela Terra, ele influencia o fluxo de energia atravs da atmosfera, fazendo com que a baixa atmosfera retenha o calor, tornando a Terra prpria vida. O percentual de dixido de carbono vem crescendo devido queima de combustveis fsseis tais como o carvo, petrleo e gs natural. Muito do dixido de carbono adicional absorvido pelas guas dos oceanos ou usado pelas plantas mas em torno de 50% permanece no ar. Projees indicam que na 2 metade do prximo sculo os nveis de sero o dobro do que eram no incio do sculo 20. Embora o impacto deste crescimento seja difcil de prever, acredita-se que ele trar um aquecimento na baixa troposfera e portanto produzir mudanas climticas globais.

O vapor d'gua um dos mais variveis gases na atmosfera e tambm tem pequena participao relativa. Nos trpicos midos e quentes constitui no mais que 4% do volume da baixa atmosfera, enquanto sobre os desertos e regies polares pode constituir uma pequena frao de 1%. Contudo, sem vapor d'gua no h nuvens, chuva ou neve. Alm disso, o vapor d'gua tambm tem grande capacidade de absoro, tanto da energia radiante emitida pela Terra (em ondas longas), como tambm de alguma energia solar. Portanto, junto com o , o vapor d'gua atua como uma manta para reter calor na baixa atmosfera. Como a gua a nica substncia que pode existir nos 3 estados (slido, lquido e gasoso) nas temperaturas e presses existentes normalmente sobre a Terra, suas mudanas de estado absorvem ou liberam calor latente. Desta maneira, calor

absorvido em uma regio transportado por ventos para outros locais e liberado. O calor latente liberado, por sua vez, fornece a energia que alimenta tempestades ou modificaes na circulao atmosfrica.

O oznio, a forma triatmica do oxignio ( ), diferente do oxignio que respiramos, que diatmico ( ). Ele tem presena relativamente pequena e distribuio no uniforme, concentrando-se entre 10 e 50 km (e em quantidades bem menores, no ar poludo de cidades), com um pico em torno de 25 km. Sua distribuio varia tambm com a latitude, estao do ano, horrio e padres de tempo, podendo estar ligada a erupes vulcnicas e atividade solar. A formao do oznio na camada entre 10-50 km resultado de uma srie de processos que envolvem a absoro de radiao solar. Molculas de oxignio ( ) so dissociadas em tomos de oxignio aps absorverem radiao solar de ondas curtas (ultravioleta). O oznio formado quando um tomo de oxignio colide com uma molcula de oxignio em presena de uma 3 molcula que permite a reao mas no consumida no processo . A concentrao do oznio nesta camada deve-se provavelmente a dois fatores:

(1) a disponibilidade de energia ultravioleta e (2) a densidade da atmosfera suficiente para permitir as colises necessrias entre oxignio molecular e oxignio atmico.

A presena do oznio vital devido a sua capacidade de absorver a radiao ultravioleta do sol na reao de fotodissociao . O tomo livre recombina-se novamente para formar outra molcula de oznio, liberando calor. Na ausncia da camada de oznio a radiao ultravioleta seria letal para a vida. Desde os anos 70 tem havido contnua preocupao de que uma reduo na camada de oznio na atmosfera possa estar ocorrendo por interferncia humana. Acredita-se que o maior impacto causado por um grupo de produtos qumicos conhecido por clorofluorcarbonos (CFCs). CFCs so usados como propelentes em 'sprays' aerosol, na produo de certos plsticos e em equipamentos de refrigerao e condicionamento de ar. Como os CFCs so praticamente inertes (no quimicamente ativos) na baixa atmosfera, uma parte deles eventualmente atinge a camada de oznio, onde a radiao solar os separa em seus tomos constituintes. Os tomos de cloro assim liberados, atravs de uma srie de reaes acabam convertendo parte do oznio em oxignio. A reduo do oznio aumentaria o nmero de

casos de certos tipos de cncer de pele e afetaria negativamente colheitas e ecossistemas.

Alm de gases, a atmosfera terrestre contm pequenas partculas, lquidas e slidas, chamadas aerossis. Alguns aerossis - gotculas de gua e cristais de gelo - so visveis em forma de nuvens. A maior concentrao encontrada na baixa atmosfera, prximo a sua fonte principal, a superfcie da Terra. Eles podem originar-se de incndios florestais, eroso do solo pelo vento, cristais de sal marinho dispersos pelas ondas que se quebram, emisses vulcnicas e de atividades agrcolas e industriais. Alguns aerossis podem originar-se na parte superior da atmosfera, como a poeira dos meteoros que se desintegram. Embora a concentrao dos aerossis seja relativamente pequena, eles participam de processos meteorolgicos importantes. Em 1 lugar, alguns aerossis agem como ncleos de condensao para o vapor d'gua e so importantes para a formao de nevoeiros, nuvens e precipitao. Em 2 lugar, alguns podem absorver ou refletir a radiao solar incidente, influenciando a temperatura. Assim, quando ocorrem erupes vulcnicas com expressiva liberao de poeira, a radiao solar que atinge a superfcie da Terra pode ser sensivelmente alterada. Em 3 lugar, a poeira no ar contribui para um fenmeno tico conhecido: as vrias tonalidades de vermelho e laranja no nascer e pr-do-sol. b) Estrutura Vertical da Atmosfera b.1) Perfis Verticais de Presso e Densidade

Fig. 1.2 Perfil vertical mdio da presso do ar

Sabemos que o ar compressvel, isto , seu volume e sua densidade so variveis. A fora da gravidade comprime a atmosfera de modo que a mxima densidade do ar (massa por unidade de volume) ocorre na superfcie da Terra. O decrscimo da densidade do ar com a altura bastante rpido (decrscimo exponencial) de modo que na altitude de ~5,6 km a densidade j a metade da densidade ao nvel do mar e em ~16 km j de apenas 10% deste valor e em ~32 km apenas 1%.

O rpido decrscimo da densidade do ar significa tambm um rpido declnio da presso do ar com a altitude. A presso da atmosfera numa determinada altitude simplesmente o peso da coluna de ar com rea de seo reta unitria, situada acima daquela altitude. No nvel do mar a presso mdia de ou , que corresponde a um peso de 1kg de ar em cada . O perfil vertical mdio da presso do ar mostrado na Fig. 1.2. O

decrscimo da densidade do ar segue uma curva semelhante. No possvel determinar onde termina a atmosfera, pois os gases se difundem gradualmente no vazio do espao.

Quando estudarmos a presso atmosfrica, discutiremos uma interpretao fsica da Fig. 1.2.

b.2) Perfil Vertical de Temperatura

Fig. 1.3 - Perfil vertical mdio de temperatura na atmosfera

Por convenincia de estudo a atmosfera usualmente subdividida em camadas concntricas, de acordo com o perfil vertical mdio de temperatura (Fig. 1.3). A camada inferior, onde a temperatura decresce com a altitude, a troposfera, que se estende a uma altitude mdia de 12 km (~ 20 km no equador e ~ 8 km nos plos). Nesta camada a taxa de variao vertical da temperatura tem valor mdio de 6,5C/km. Esta taxa na realidade, bastante varivel. De fato, algumas vezes a temperatura cresce em finas camadas, caracterizando uma inverso de temperatura. A troposfera o principal domnio de estudo dos meteorologistas, pois nesta camada que ocorrem essencialmente todos os fenmenos que em conjunto caracterizam o tempo. Na troposfera as propriedades atmosfricas so facilmente transferidas por turbulncia de grande escala e mistura. O seu limite superior conhecido como tropopausa.

A camada seguinte, a estratosfera ,se estende at ~50 km. Inicialmente, por uns 20 km, a temperatura permanece quase constante e depois cresce at o topo da estratosfera, a estratopausa. Temperaturas mais altas ocorrem na estratosfera porque nesta camada que o oznio est concentrado. Conforme mencionamos, o oznio absorve radiao ultravioleta do sol. Consequentemente, a estratosfera aquecida.

Na mesosfera a temperatura novamente decresce com a altura, at a mesopausa, que est em torno de 80 km, onde atinge ~ -90C. Acima da mesopausa, e sem limite superior definido, est a termosfera, onde a temperatura inicialmente isotrmica e depois cresce rapidamente com a altitude, como resultado da absoro de ondas muito curtas da radiao solar por tomos de oxignio e nitrognio. Embora as temperaturas atinjam valores muito altos, estas temperaturas no so exatamente comparveis quelas experimentadas prximo a superfcie da Terra. Temperaturas so definidas em termos da velocidade mdia das molculas. Como as molculas dos gases da termosfera se movem com velocidades muito altas, a temperatura obviamente alta. Contudo, a densidade to pequena que muito poucas destas molculas velozes colidiriam com um corpo estranho; portanto, s uma quantidade insignificante de energia seria transferida. Portanto, a temperatura de um satlite em rbita seria determinada principalmente pela quantidade de radiao solar que ele absorve e no pela temperatura do ar circundante.

Os perfis verticais de presso e temperatura do ar (Figs. 1.2 e 1.3) aqui apresentados so baseados na atmosfera padro, um

modelo da atmosfera real. Representa o estado da atmosfera numa mdia para todas as latitudes e estaes. Ela apresenta valores fixos da temperatura e presso do ar ao nvel do mar (15C e 1013,25mb) e perfis verticais fixos de temperatura e presso.

c) A Ionosfera Entre as altitudes de 80 a 900 km (na termosfera) h uma camada com concentrao relativamente alta de ons, a ionosfera. Nesta camada a radiao solar de alta energia de ondas curtas (raios X e radiao ultravioleta) tira eltrons de molculas e tomos de nitrognio e oxignio, deixando eltrons livres e ons positivos. A maior densidade de ons ocorre prximo a 300 km. A concentrao de ons pequena abaixo de 80 km porque nestas regies muito da radiao de ondas curtas necessria para ionizao j foi esgotada. Acima de ~400 km a concentrao pequena por causa da extremamente pequena densidade do ar, possibilitando a produo de poucos ons.

A estrutura da ionosfera consiste de 3 camadas de densidade varivel de ons: as camadas D, E e F, com altitude e densidade de ons crescente. Como a produo de ons requer a radiao solar direta, a concentrao de ons diminui do dia para a noite, particularmente nas camadas D e E, onde os eltrons se recombinam com ons positivos durante a noite. A taxa de recombinao depende da densidade do ar, isto , quanto mais denso o ar maior a probabilidade de coliso e recombinao das partculas. Assim, a camada D desaparece noite, a camada E se enfraquece consideravelmente, mas a camada F continua presente noite, embora enfraquecida, pois a densidade nesta camada muito pequena.

A ionosfera tem pequeno impacto sobre o tempo, mas tem grande influncia sobre a transmisso de ondas de rdio na banda AM. Durante o dia as ondas de rdio tendem a ser absorvidas nas dois camadas mais baixas, especialmente na camada D. A camada F reflete as ondas de rdio durante o dia e a noite. Contudo , mesmo que as ondas consigam atravessar as camadas D e E e ser refletidas na camada F, elas sero absorvidas no seu caminho de volta para a Terra. noite, contudo, a camada absorvedora D desaparece e as ondas podem atingir a camada F mais facilmente e ser refletidas para a superfcie da Terra. Isto explica porque noite os sinais de rdio atingem grandes distncias sobre a Terra (Fig. 1.4).

Fig. 1.4 - Influncia da Ionosfera sobre a transmisso de ondas de rdio.

Na ionosfera ocorre tambm o fenmeno da aurora boreal (no Hemisfrio Norte) ou austral (no Hemisfrio Sul). As auroras esto relacionadas com o vento solar , um fluxo de partculas carregadas, prtons e eltrons, emanadas do sol com alta energia. quando estas partculas se aproximam da Terra, elas so capturadas pelo campo magntico da Terra. Sob a ao da fora exercida pelo campo magntico sobre cargas em movimento ( ), elas descrevem trajetrias espiraladas ao longo das linhas de induo do campo magntico terrestre, movendo-se para frente e para trs entre os plos magnticos sul e norte, onde so "refletidas" devido ao aumento do campo magntico. Estes eltrons e prtons aprisionados constituem os chamados "cintures radioativos de Van Allen". Algumas partculas acompanham o campo magntico da Terra em direo aos plos geomagnticos, penetrando na ionosfera, onde colidem com tomos e molculas de oxignio e nitrognio, que so temporariamente energizados. Quando estes tomos e molculas retornam do seu estado energtico excitado, eles emitem energia na forma de luz, o que constitui as auroras. As zonas de maior ocorrncia das auroras situam-se em torno de 20-30 ao redor dos plos geomagnticos (76N, 102W; 68S, 145E). A atividade auroral varia com a atividade do sol. Quando o sol est calmo, a zona auroral diminui; quando o sol est ativo (com exploses solares), intensificando o vento solar, a zona auroral se expande em direo ao equador.

Para saber mais sobre auroras e campo magntico terrestre:

BRIEN, J. O., 1963: Radiation belts, Scientific American, 208, 5, 84-96.

AKASOFU,S.I., 1989: The dynamic aurora, Scientific American, 260, 5, 54-63.