Umidade do ar, Chuva e Vento, Esquemas de Meteorologia

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Umidade do ar,

Chuva e Vento

LCE 306 – Meteorologia Agrícola

Prof. Paulo Cesar Sentelhas

Prof. Luiz Roberto Angelocci

ESALQ/USP – 2012

Aula # 7

Umidade do ar

Em função disso, afeta vários aspectos relacionados à agricultura, silvicultura,

pecuária e conservação de alimentos:

• Conforto animal
• Consumo hídrico das plantas
• Relação plantas-doenças/pragas
• Armazenamento de produtos
• Incêndios florestais

Definições e Conceitos

O teor de vapor d´água na atmosfera varia de 0 a 4% do volume de ar. Isso

quer dizer que em uma dada massa de ar, o máximo de vapor d´água que ela

pode reter é 4% de seu volume:

• Caso a umidade corresponda a 0% do volume de ar  AR SECO
• Caso a umidade corresponda a um valor entre 0% e 4% do volume de ar  AR ÚMIDO
• Caso a umidade corresponda a 4% do volume de ar  AR SATURADO

Ar Saturado: quando a taxa de escape de moléculas de água de uma superfície

líquida para o ar se iguala à taxa de retorno de moléculas de vapor d´água do

ar para a superfície líquida. Essa taxa é dependente da temperatura do

sistema, a qual determina a capacidade máxima de vapor d´água que o ar

pode reter.

A figura a seguir ilustra esse processo, mostrando um sistema fechado, a 20ºC,

no qual em (a) têm-se o ar seco. À medida que a evaporação ocorre, a pressão

exercida pelo vapor d´água aumenta (b = ar úmido), até se atingir a condição

de saturação para essa temperatura (c). Caso haja o aumento da temperatura

do sistema, a capacidade máxima de retenção de vapor do ar aumenta, como

mostra a figura (d).

De acordo com a lei de Dalton, a pressão atmosférica (Patm) é igual à soma das

pressões parciais exercidas por todos os constituintes atmosféricos. Isso pode

ser representado por:

Patm = PN + PO + ... + PCO2 + PO3 + PH2Ov

Resumindo:

Patm = PAr Seco + PH2Ov

A pressão parcial exercida pelo vapor d´água (PH2Ov) é simbolizada pela letra

“e”. Para a condição de saturação, ou seja, para o máximo de vapor d´água

que o ar pode reter, utilizamos o símbolo “es” e para a condição de ar úmido,

ou seja, para a condição real de vapor d´água no ar, utilizamos o símbolo “ea”.

Portanto, para chegarmos à umidade relativa (UR, em %), teremos a seguinte

equação:

UR = (ea / es) * 100

“ea” e “es” são expressos em unidade de pressão (atm, mmHg, mb, hPa ou kPa)

1 atm = 760 mmHg = 1013,3 mb = 1013,3 hPa = 101,33 kPa

O gráfico psicrométrico, que é apresentado no slide a seguir, expressa a

relação positiva entre a temperatura do ar e a pressão de vapor, mostrando

quanto de vapor o ar pode reter para cada nível de temperatura do ar. A curva

que mostra a relação entre Tar e “es” pode ser expressa pela seguinte

equação:

es = 0,611 * 10 [(7,5*Tar)/(237,3+Tar)]^ (kPa)

Essa equação é denominada de Equação de Tetens e com ela pode-se

determinar o valor de es para qualquer temperatura do ar. Caso se deseje

calcular es em outras unidades, o valor 0,611 deve ser substituído por 4,

para mmHg ou 6,11 para milibar (mb). O exemplo a seguir mostra a variação

de es ao longo do dia, representado por dois horários (7h e 14h):

7h  Tar = 16oC  es = 0,611 * 10 [(7,516)/(237,3+16)]*^ = 1,82 kPa

14h  Tar = 28oC  es = 0,611 * 10 [(7,528)/(237,3+28)]*^ = 3,78 kPa

A determinação da pressão real de vapor (ea) pode se dar de duas formas. A

mais simples, é se conhecendo a umidade relativa e a temperatura do ar. Com

a temperatura calcula-se es e assim chega-se a:

ea = (UR * es) / 100

A outra forma é por meio da equação psicrométrica, conhecendo-se as

temperaturas do bulbo seco (Ts) e do bulbo úmido (Tu), obtidas do conjunto

psicrométrico:

Ts

Tu

LE

H

Conjunto Psicrométrico

H =  Cp (Ts – Tu) e LE = (E/Patm) (esTU – ea)

Como neste caso H = LE, tem-se que:  Cp (Ts – Tu) = (E/Patm) (esTU – ea), ou seja

(Cp Patm / E) (Ts – Tu) = (esTU – ea)

Portanto:

ea = esTU – (Cp Patm / E) (Ts – Tu)

(Cp Patm / E) = constante psicrométrica = 

ea = esTU –  (Ts – Tu)

 = 0,067 kPa oC-1^ para psicrômetros ventilados e  = 0,081 kPa oC-1^ para psicrômetros não ventilados

Além da umidade relativa (UR), o conhecimento da pressão real e de saturação

de vapor d´água no ar nos fornece outras informações bastante utilizadas nas

ciências agronômicas, como:

Déficit de saturação do ar e = es – ea (kPa)

Temperatura do

Ponto de Orvalho

To = (237,3 * Log ea/0,611) / (7,5 – Log ea/0,611)

Razão de Mistura w = (0,622 * ea) / (Patm – ea) (g de vapor / g de ar)

Umidade Absoluta UA = 2168 [ea / (273 + Ts)] (g/m^3 )

Umidade de Saturação US = 2168 [es / (273 + Ts)] (g/m^3 )

Utilizando o exemplo anterior no gráfico psicrométrico teríamos os

seguintes resultados:

ea = 1,1 kPa

es = 3,8 kPa

e = 2,7 kPa

UR = 29%

To = 8ºC

UA = 7,9 g/m^3

US = 27,4 g/m

W = 0,007 kgvap/kgarseco

Gráfico Psicrométrico Pressão Atm = 101,33 kPa

Pressão de vapor (e, kPa)

Razão de Mistura (kg vapor / kg de ar seco)

Temperatura do bulbo seco (oC)

Ts

Tu

To

w

es

ea

Equipamentos de medida da Umidade do ar

Conjunto Psicrométrico

ou Psicrômetro

O conjunto psicrométrico utiliza as equações apresentadas anteriormente para a determinação de “es” e “ea”, que posteriormente são empregados na determinação de UR. Os psicrômetros podem ser de ventilação natural, como os dois apresentados à direita e à esquerda, ou de ventilação forçada, como o da figura abaixo.

Higrógrafos mecânicos

Os higrógrafos mecânicos, normalmente associados ao termógrafo bimetálico, usam como elemento sensor, para umidade do ar, o cabelo humano, o qual tem a propriedade de se dilatar e contrair em função da umidade do ar. Esses equipamentos são empregados para a obtenção de medidas contínuas nas estações meteorológicas convencionais e registram os valores de UR no higrograma. Esse equipamento requer calibrações freqüentes, pois o cabelo vai perdendo elasticidade com o tempo.

Temperatura do ar

Umidade Relativado ar

Sensor capacitivo de UR

Esse sensor é empregado nas estações meteorológicas automáticas. O sensor constitui-se de um filme de polímero que ao absorver vapor d´água do ar altera a capacitância de um circuito ativo. Requer calibração e limpeza periódicas.

Medida da Umidade do ar em Condições Padrões

Os sensores de UR, para medidas rotineiras, devem ser instalados dentro dos abrigos meteorológicos (1,5 a 2,0 m de altura), tanto nas estações convencionais como nas automáticas

Abrigos meteorológico – Estação Convencional

Abrigo meteorológico – Estação Automática

Variação temporal da umidade do ar - escala diária

Piracicaba, 14/08/

0,

5,

10,

15,

20,

25,

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 131415 1617 1819 202122 2324 Horário

Ts (

o C )

0

20

40

60

80

100

120

UR (%)

Ts UR Piracicaba, 14/08/

0,

0,

1,

1,

2,

2,

3,

3,

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horário

Pressão de vapor (kPa )

es ea

Na escala diária praticamente não há variação de “ea” ao longo do dia, ao passo que “es” varia exponencialmente com a temperatura do ar. Isso faz com que a UR varie continuamente ao longo do dia, chegando ao valor mínimo no horário de Tmax e a um valor máximo a partir do momento em que a temperatura do ponto de orvalho (To) é atingida.

Desse modo, a UR tem uma variação inversa à da temperatura do ar (Ts), como pode-se observar na figura acima, porém o efeito direto da Ts é sobre “es”, como pode-se observar na figura ao lado.

Variação temporal da umidade do ar - escala anual

Variação Anual da UR (% )

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

J F M A M J J A S O N D Mês

Média mensal da UR (%)

Piracicaba, SP Manaus, AM Brasília, DF

Na escala anual, a UR média mensal acompanha basicamente o regime de chuvas, pois havendo água na superfície haverá vapor d´água no ar. Observa-se na figura abaixo que nas três localidades analisadas, a UR média mensal é maior na estação chuvosa e menor na estação seca. No entanto, em Manaus a UR é sempre maior que nas duas outras localidades, devido à estação seca ser mais curta e menos intensa. Em Piracicaba e em Brasília, a UR média mensal é praticamente igual na estação chuvosa, porém menor em Brasília na estação seca, o que se deve ao fato da estiagem ser muito mais intensa e prolongada nessa região do que em Piracicaba.