Apostila de Precipitação - Hidrologia basica

Apostila de Precipitação - Hidrologia basica

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HIDROLOGIA BÁSICA Capítulo 3 - Precipitação

3 PRECIPITAÇÃO

HIDROLOGIA BÁSICA Capítulo 3 - Precipitação

3. - PRECIPITAÇÃO

3.1 Introdução

No capítulo 1, discutiu-se o ciclo hidrológico de uma forma geral. A seguir será detalhado especificamente a fase da PRECIPITAÇÃO.

O fenômeno da precipitação é o elemento alimentador da fase terrestre do ciclo hidrológico e constitui portanto fator importante para os processos de escoamento superficial direto, infiltração, evaporação, transpiração, recarga de aquíferos, vazão básica dos rios e outros.

Quando se faz um estudo de planejamento de longo prazo do uso de uma ou mais bacias hidrográficas, a precipitação é um dado básico, pois não sofre influências diretas de alterações antrópicas provocadas no meio. As alterações do uso do solo, por exemplo, sobre as vazões escoadas, poderão ser avaliadas por modelos matemáticos que transformam as chuvas em vazões, e que consideram as variações de infiltração em função da área impermeável da bacia.

Nos projetos de drenagem, de construção de reservatórios de regularização (barragens) e outros, os dados de precipitação serão muitas vezes necessários para o dimensionamento das obras e conduzirão a resultados mais seguros quanto melhor for sua definição.

No Brasil, as precipitações totais anuais em pontos localizados variam de 300 m no Nordeste árido até 8000 m, na região Amazônica. No Estado de São Paulo, esta variação vai de 1000 m a 4500 m. Mas o que significam esses "milímetros de chuva"? E quanto chove na cidade em que você mora?

3.2 Aspectos Meteorológicos

A atmosfera da Terra contém vapor d'água que se origina, em sua maior parte, da evaporação dos oceanos, lagos, rios, solos úmidos e da transpiração das plantas. A figura 1 a seguir representa o Ciclo Hidrológico.

3.2.1 Umidade Atmosférica

A quantidade de vapor d'água movendo-se na atmosfera tem uma importante relação com o tamanho da tempestade, sua intensidade e duração. A quantidade de vapor d'água em uma massa de ar é definida como umidade específica.

Normalmente há um limite superior para a quantidade de vapor d'água que um volume de ar poderá

HIDROLOGIA BÁSICA Capítulo 3 - Precipitação conter. A pressão de vapor das moléculas de água em seu limite superior é chamada pressão de vapor de saturação. A pressão de vapor de saturação é uma função não linear da temperatura do ar.

A umidade relativa é forma mais prática de definir a quantidade de água presente na atmosfera em muitos problemas de hidrologia. A umidade relativa é a taxa percentual de vapor d'água presente neste instante em relação à quantidade requerida para saturar o ar à mesma pressão e temperatura. (Schulz, 1973)

3.2.2 Medição da Umidade

O método mais direto para medição da umidade consiste em extrair o vapor d'água de um certo volume de ar e pesá-lo. Isso é obtido, fazendo-se passar o ar úmido através de um dessecante granular; o aumento de peso do dessecante será igual ao peso da umidade contida no ar.

O método mais simples para medir a umidade utiliza o psicrômetro de funda, também conhecido como termômetros de bulbo seco e bulbo úmido. Esse instrumento consiste em dois termômetros montados lado a lado, um dos quais tem o bulbo coberto de gaze, que fica previamente imersa em um recipiente com água, de modo que o resfriamento devido à evaporação abaixará a temperatura desse termômetro. A diferença entre as leituras dos dois termômetros pode ser transformada em umidade por meio de tabelas de calibração. A figura 2 mostra um psicrômetro de funda.

Outro método para medir o teor de umidade da atmosfera emprega os higrômetros. Fibras higroscópicas, como o cabelo,aumentam de comprimento quando a umidade relativa cresce e encolhem quando ela diminui. Mediante calibração cuidadosa, um grupo dessas fibras, ligado a um ponteiro indicador, pode ser montado para registrar a umidade relativa. Estes instrumentos prestamse muito bem para obtenção de registros automáticos contínuos da umidade relativa. Precisam, no entanto, ser freqüentemente aferidos, porque tendem, com o tempo, a desviar-se de sua calibração original. (Wisler, 1964)

3.2.3 Resfriamento de Massas de Ar

Figura 2 - Psicrômetro de Funda

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O ar pode ser resfriado por muitos processos. Entretanto, o resfriamento adiabático pela redução de pressão através da ascensão é o único processo natural através do qual grandes massas de ar podem ser resfriadas com rapidez suficiente para produzir precipitação considerável. A taxa e a quantidade de precipitação são funções da taxa e quantidade de resfriamento e da umidade contida na massa de ar para repor o vapor d'água que está sendo convertido em precipitação.

A ascensão requerida para o rápido resfriamento de grandes massas de ar pode ser produzida por: (1) convergência horizontal, (2) ascensão frontal, ou (3) ascensão orográfica. Usualmente mais de um desses processos é ativado.

A convergência horizontal ou simplesmente convergência, ocorre quando a pressão e o vento agem para concentrar a afluência de ar em uma área particular, tal como uma área de baixa pressão. Se esta convergência acontece em uma camada baixa da atmosfera, a tendência de colisão de forças do ar ascendente resultam em seu resfriamento, conforme pode-se ver na figura 3 ao lado.

inclina-se para cima na direção da massa de ar frio. A

A ascensão frontal ocorre quando uma massa de ar relativamente aquecido fuindo na direção de uma massa de ar frio é forçada para cima, com o ar frio agindo como se fosse uma cunha. A superfície de separação entre duas diferentes massas de ar é chamada de superfície frontal. Uma superfície frontal sempre intersecção da superfície frontal com a terra chama-se frente. A ascensão frontal pode ser vista na figura 4 ao lado.

Figura 3 - Chuva Convectiva

Figura 4 - Chuva Frontal

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A ascensão orográfica ocorre quando o ar fluindo na direção de uma barreira orográfica (isto é, uma montanha) é forçado a subir para passar sobre ela. A inclinação da massa de ar quente pela passagem por uma barreira orográfica é usualmente maior que a inclinação da superfície frontal. Conseqüentemente, o ar é resfriado muito mais rapidamente por ascensão orográfica do que por ascensão frontal. A ascensão orográfica pode ser vista na figura 5 (Ponce,1989)

3.2.4 Condensação do Vapor de Água na Forma Líquida ou Sólida

Condensação é o processo pelo qual o vapor de água é convertido em gotas líquidas ou, a baixas temperaturas, em cristais de gelo. Os resultados deste processo são freqüentemente, mas não sempre, visíveis sob a forma de nuvens, as quais são transportadas pelo ar como gotas de água no estado líquido, como cristais de gelo, ou ainda, como uma mistura de ambos.

A saturação não necessariamente resulta em condensação. O núcleo de condensação é necessário para a conversão do vapor d'água em gotas. Entre os mais eficazes núcleos de condensação estão os produtos de combustão e as partículas de sais do mar. Há usualmente núcleos de condensação suficientes no ar para produzir condensação quando o vapor d'água atinge o ponto de saturação.

3.2.5 Crescimento das Gotas de Chuva e Cristais de Gelo

Quando o ar é resfriado abaixo de sua temperatura de saturação inicial e a condensação continua a ocorrer, gotas líquidas ou cristais de gelo tendem a se acumular resultando nuvens. A taxa à qual este excesso de umidade na forma líquida ou sólida é precipitado das nuvens depende de (1) velocidade da corrente de ascensão produzindo resfriamento, (2) taxa de crescimento das gotículas das nuvens formando gotas de chuva pesadas o suficiente para passar através da corrente de ascensão e, (3) um suprimento suficiente de vapor d'água na área para repor a umidade precipitada.

Várias teorias têm sido desenvolvidas para explicar o crescimento dos elementos das nuvens até um tamanho em que possam ser precipitados. Os dois principais processos na formação da precipitação são (1) processo dos cristais de gelo, e (2) processo de coalescência. Estes dois processos podem operar em conjunto ou separadamente.

O processo dos cristais de gelo envolve a presença de cristais em uma nuvem de água com temperatura abaixo do ponto de congelamento. Pelo fato de que na saturação a pressão de vapor sobre a água é maior do que sobre o gelo, há um gradiente de pressão de vapor das gotas de água

Figura 5 - Chuva Orográfica

HIDROLOGIA BÁSICA Capítulo 3 - Precipitação para os cristais de gelo. Isto leva os cristais de gelo a crescerem à custa das gotas de água e, sob condições favoráveis atingir o tamanho necessário para se precipitar. O processo dos cristais de gelo é eficaz somente em nuvens com temperatura abaixo do ponto de congelamento, e ele é mais eficaz à cerca de -15oC. (Ponce,1989)

No processo de coalescência, o aumento de volume das gotas de água para formação de chuva, pode ser explicado pela fusão de diversas gotas em apenas uma, devido ao efeito de choques repetidos, que pode ser atribuído sucessivamente:

à atração eletrostática de gotículas de nuvens carregadas eletricamente;

aos efeitos de indução, provocados pelo deslocamento das gotas no campo magnético terrestre;

à atração hidrodinâmica entre duas gotas próximas e em movimento relativo com relação ao ar que as envolve;

à microturbulência que propicia colisões análogas às que se desenvolvem na teoria cinética dos gases;

ao aprisionamento de pequenas gotas por parte de gotas de maiores dimensões precipitando-se no interior da nuvem.(Uehara,1980)

3.3. Formas de Precipitação

À medida que as gotas de chuva ou cristais de gelo que compõem as nuvens vão aumentando de tamanho, as forças de sustentação são vencidas e elas começam a cair rapidamente, eventualmente atingindo o solo em forma de precipitaçao, salvo quando retidos por correntes ascendentes ou evaporados durante a queda. A precipitação adquire diferentes formas, dependendo da temperatura na qual ocorre a condensação e das condições encontradas durante a queda das partículas na direção do solo. Deste modo, pode-se identificar, entre outras, as formas de precipitação a seguir:

precipitação, porém, a rigor, chuva significa especificamente umidade que cai na direção da Terra, em estado líquido.

Neve: A neve é formada pela cristalização (sublimação) do vapor d'água à temperatura abaixo de 0oC. Os cristais ou flocos de neve possuem variadas formas. A forma fundamental é a hexagonal. Os grandes flocos de neve são formados pela combinação de cristais menores à temperatura não muito abaixo de 0oC. A temperaturas muito baixas existe pouca umidade

HIDROLOGIA BÁSICA Capítulo 3 - Precipitação no ar e, portanto, há condições mínimas para precipitação, porém, como se diz, nunca é frio demais para nevar. A camada de neve tem grande valor para a agricultura nas regiões de inverno rigoroso. Ela evita o congelamento do solo e protege as raízes das plantas.

Granizo: O granizo consiste em pelotas arredondadas e duras de gelo, ou de gelo e neve compacta. Quando uma dessas pelotas de gelo é cortada ao meio, ela parece apresentar uma formação de camadas concêntricas de densidades e transparências diferentes. Granizos grandes são comuns, e às vezes podem ocorrer pedras maiores que bolas de tênis. São, às vezes, encontrados grandes discos de gelo achatados, compostos de diversas pedras, formadas independentemente e que se congelam juntas durante a queda. O efeito destrutivo do granizo, especialmente sobre as culturas jovens é bastante grande. (Blair,1964)

Existem formações, que embora sejam conhecidas como formas de precipitação, são na verdade resultantes da condensação do vapor d'água presente na atmosfera sobre as superfícies sólidas, como:

Orvalho: Os objetos sólidos (solo, vegetação, etc) são melhores emissores de calor do que o ar. Por este motivo, as superfícies sólidas resfriam-se mais rapidamente que o ar. Ao entrar em contato com estas superfícies frias, o ar perde seu calor, resfriando-se. Se este resfriamento do ar conduzí-lo a uma temperatura abaixo do seu ponto de orvalho, ocorrerá condensação da umidade do ar sobre as superfícies sólidas (frias).

Geada: Ao contrário do que se pensa a geada não é orvalho congelado. O processo de formação da geada é similar ao do orvalho, sendo que para que haja formação de geada o ponto de orvalho do ar deve estar abaixo de 0oC. Abaixo desta temperatura o vapor d'água passa diretamente do estado gasoso para o estado sólido, formando cristais de gelo.

3.4. Tipos de Chuva

Conforme visto no item 3.2.3 a principal forma de resfriamento de grandes massas de ar é o resfriamento adiabático. Assim a ascensão vertical de massas de ar é um requisito muito importante para que ocorra a formação das precipitações. Desta forma, a partir das condições em que ocorre a ascensão das massas de ar, as precipitações podem ser classificadas em: (1) precipitações ciclônicas; (2) precipitações orográficas; e (3) precipitações convectivas.

As precipitações ciclônicas estão associadas à ascensão frontal descrita anteriormente. Este tipo de precipitação é de longa duração, apresentando, em geral, baixa intensidade e distribuindo-se por extensas áreas. Devido às suas características, este tipo de precipitação é importante nos projetos envolvendo grandes bacias hidrográficas.

As precipitações orográficas resultam da ascensão orográfica das massas de ar, ocorrendo portanto em regiões onde existem barreiras topográficas (tipicamente na Serra do Mar). Este tipo de precipitação

HIDROLOGIA BÁSICA Capítulo 3 - Precipitação possui intensidade bastante elevada.

As precipitações convectivas ocorrem tipicamente em regiões tropicais e estão associadas à convergência horizontal.

Assim que, em tempos calmos, o ar saturado ou não, nas vizinhanças do solo, é aquecido devido à radiações solares, o mesmo se dilata e se eleva por intermédio de movimentos rápidos em direção ao centro de numerosas células de convecção que se formam pouco a pouco. Ao mesmo tempo em que se realiza esta ascensão, o ar se resfria e atinge seu ponto de condensação a uma altitude denominada "nível de condensação". A partir do alcance deste nível ocorre a formação de nuvens, e caso a corrente de convecção vertical seja intensa no início e prossiga por um tempo suficientemente longo, ocorre a possibilidade de que o sistema de nuvens assim formado possa atingir uma zona onde reine uma temperatura muito baixa ou um grau de turbulência forte o suficiente para originar a precipitação. Estas precipitações, ditas de convecção, são resultantes de tempos quentes, e podem ser acompanhadas de trovoadas, clarões e ventos locais. (Uehara, 1980)

São, em geral, de grande intensidade e curta duração e concentram-se em pequenas áreas, sendo portanto importantes nos projetos que envolvem pequenas bacias hidrográficas.

3.5 Medidas Pluviométricas

Exprime-se a quantidade de chuva pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana e impermeável. Ela é avaliada por meio de medidas executadas em pontos previamente escolhidos, utilizando-se aparelhos denominados pluviômetros ou pluviógrafos, conforme sejam simples receptáculos de água precipitada ou registrem essas alturas no decorrer do tempo. As medidas realizadas nos pluviômetros são periódicas; em geral, em intervalos de vinte e quatro horas feitas normalmente, no Brasil, às sete horas da manhã.

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