Umidade do ar - Departamento de Ciências Atmosféricas
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Umidade do ar - Departamento de Ciências Atmosféricas
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 Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Histórico Nikolaus Cusa (Kryffs or Krebs) (1401-1464) Deus é infinito e sem localização, portanto o próprio universo também é ilimitado, sem borda e centro : “o Universo é uma esfera na qual o centro está em todos os lugares e a circunferência em lugar nenhum". (ca 1450) 1º registro de observação: a massa da madeira era função da umidade do ar Horace-Bénédict de Saussure (1740-1799) Físico suíço, geológo, explorador dos Alpes Desenvolveu o primeitro eletrômetro (potencial elétrico dos corpos carregados) 1738 – primeiro higrômetro científico (higrômetro de fio de cabelo) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Higrômetro de cabelo de De Saussure (Paris, c. 1830) Variáveis de mensuração da umidade do ar 1. Umidade específica 2. Pressão de vapor d´água conceito de pressão de vapor de saturação 3. Umidade absoluta 4. Umidade relativa Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Classes de higrômetros Os higrômetros podem ser classificados segundo princípios de funcionamento, por : 1. remoção de vapor d´agua do ar químicos (CoCl2) 2. adição de vapor d´agua ao ar, atingindo a saturação Psicrômetro de Assmann (bulbo seco e bulbo úmido) 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. medidas das propriedades físicas do ar úmido analisador de gás infra-vermelho (caminho aberto e caminho fechado) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Pressão de vapor d´água de saturação (hPa) es Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Clausius-Clapeyron Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP T Temperatura (oC) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Princípio da psicrometria Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação 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) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Fórmulas da pressão de saturação do vapor d´água 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. Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Correção da pressão atmosférica es corrigida = es x f f ( fator de correção, influência ordem de 10-3) f = 1,0016 + 3,15 x 10 -6 p - 0,074/p (p em hPa) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Estimativa prática e operacional da umidade do ar por psicrometria Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação 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 Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação 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) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação 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 Temperatura do ponto de orvalho (Tdew) T p = 1000 hPa Tdew Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Higrômetro de espelho resfriado (chilled mirror higrometer) 3 5 1 4 2 espelho 3 cooler / heater mantêm T ~ Tdew Psicrômetro de espelho resfriado 1 ou 2 foto-dectores Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP 4. por absorção ou adsorção de vapor d´agua Mecânicos Elétricos Higrômetro elétrico (capacitivos, resistivos) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP tipo humicap Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP tipo humicap 15 cm 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 Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Higrômetro mecânico (fio de cabelo) Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Elongamento do fio de cabelo (% em relação ao comprimento) em função da umidade relativa do ar Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação 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. Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação 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 Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Higrômetro analisador de gás por infra-vermelho 4 3 5 1 2 4 Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Espectro de absorção do infravermelho Notas de aula Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Laboratório de Clima e Biosfera Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Analisador infra-vermelho de caminho aberto
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