Densidade Atmosférica – SphaericaEst

A densidade do ar é uma propriedade usada em muitos ramos da ciência, engenharia e indústria, incluindo a aeronáutica, balística. indústria eólica; pesquisa atmosférica e meteorologia, etc.

Balística: Influência da densidade do ar
http://www.exteriorballistics.com/ebexplained/5th/31.cfm

A relação de eficiência entre a altitude e a densidade do ar no projeto de usinas eólicas
https://www.scientific.net/AMM.336-338.1114
http://drømstørre.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/en/tour/wres/enerwind.htm

https://www.experimentalaircraft.info/flight-planning/aircraft-performance-3.php

A adição de vapor d’água ao ar (tornando o ar úmido) reduz a densidade do ar, o que pode parecer um contra-senso à primeira vista. Isso ocorre porque a massa molar da água (18 g / mol) é menor que a massa molar do ar seco (em torno de 29 g / mol). Para qualquer gás ideal, em uma dada temperatura e pressão, o número de moléculas é constante para um determinado volume (Lei de Avogadro). Portanto, quando as moléculas de água (vapor d’água) são adicionadas a um determinado volume de ar, as moléculas de ar seco devem diminuir no mesmo número, para evitar que a pressão ou temperatura aumente. Consequentemente, a massa por unidade de volume do gás (sua densidade) diminui.

Medindo a densidade do ar

Visto que o peso molecular da água é menor do que os outros componentes do ar, quanto mais água no ar, ou seja, quanto maior a umidade relativa do ar, ou ainda, quanto mais moléculas de água ocuparem o espaço que ocupariam os outros componentes, menor a densidade desse ar. Logo, quanto menos denso, maior a facilidade do ar subir, condensar e formar nuvens.

Métodos para determinação da densidade do ar úmido

O Comitê Internacional de Pesos e Medidas comparou dois métodos absolutos e um relativo (óptico) a fim de melhorar o conhecimento da densidade do ar úmido, são eles:

1 – Determinação da densidade do ar CIPM 2007 (determinação absoluta)

*Equipamento Típico de Medição da Densidade do Ar*

Este método calcula a densidade do ar a partir de medições de pressão do ar, temperatura, umidade e (quando alta precisão é necessária) concentração de dióxido de carbono usando a equação CIPM 2007 recomendada pelo Comitê International de Pesos e Medidas

2 – Método de artefatos de flutuação de ar (determinação absoluta)

O método é baseado na pesagem de dois artefatos com a mesma massa nominal e a mesma área de superfície, mas com volumes muito diferentes. Duas pesagens são necessárias para determinar a densidade, uma no ar e outra no vácuo.

3 – Método de refratometria (determinação relativa)

Mudanças na densidade do ar podem ser determinadas com alta precisão usando um método óptico baseado na forte correlação entre a densidade do ar e o índice de refração do ar.

Medições de densidade do ar na faixa de pressão de 410 a 820 mm Hg. As medições foram feitas com um refratômetro diferencial a laser.

http://www-mdp.eng.cam.ac.uk/web/library/enginfo/aerothermal_dvd_only/aero/atmos/atmos.html

Aquisição de amostras atmosféricas

A medição de constituintes estáveis de traços atmosféricos é frequentemente separada em duas etapas:

(a) coleta de uma amostra representativa
(b) a análise dos traços constituintes em laboratório.

Basicamente, duas técnicas de amostragem são empregadas:

(a) a coleta de amostras de ar total
b) A coleta seletiva de um ou mais gases-traço em um dispositivo de retenção adequado.

Amostras de ar são coletadas por compressão de ar em tanques de pressão ou condensando o ar em vasos resfriados criogenicamente.
Amostras completas de ar foram capturadas por dispositivos de coleta em aeronaves, balões e foguetes. cuja altitude máxima à qual essa técnica pode ser estendida de forma útil é de 80 km. O descrição dos equipamentos de coleta de amostras e suas análises resultantes são relatadas neste artigo.

Os modernos métodos de amostragem de ar se concentram no desenvolvimento de técnicas como microextração por armadilha de agulha (NTME), extração em tubo (ITEX), armadilha de sorção, microextração de fase sólida (fibra SPME, SPME Arrow e fibra retraída SPME), filme de microextração (TFME), extração dinâmica em fase sólida (SPDE) e extração sorptiva com barra de agitação (SBSE). Descritos neste artigo.

Outros métodos de amostragem e análise da composição atmosférica:

O material amostrado ao longo do tempo e sua respectiva análise permitiu a construção de um perfil vertical atmosférico.

A massa da atmosfera da Terra é distribuída aproximadamente da seguinte forma:

By Cmglee – Own work, CC BY-SA 3.0
, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17311330

50% está abaixo de 5,6 km (18.000 pés).
90% está abaixo de 16 km (52.000 pés).
99,99997% está abaixo de 100 km (62 mi; 330.000 pés), a linha Kármán.

Diversos projetos com o propósito de determinar a composição química e a distribuição do perfil vertical atmosférico foram colocados em prática ao longo das décadas utilizando-se de métodos diretos com sensores e coletores embarcados em balões atmosféricos, aeronaves, foguetes e etc.

Projeto US Standard Atmosphere

O maior trabalho de coleta de dados atmosféricos feito até hoje foi executado pelo projeto “US Standard Atmosphere“, resultando um modelo atmosférico estático de como a pressão, temperatura, densidade, composição e viscosidade da atmosfera terrestre mudam em uma ampla gama de altitudes. Foi concluído e publicado pela primeira vez em 1958, atualizado em 1962, 1966 e 1976. É amplamente consistente em metodologia com a norma ICAO (1964) até 32 km e a Norma ISO (1973) até 50 km.

Os métodos de coleta incluíram ainda: Método Rocket-Grenade – Instrumentação – inclusive no Brasil, Tubo de Pitot estático em aeronaves, Esferas em queda. e sensores diversos.

A coleta de dados teve 4 origens, 1958 (A), 1962 (B), 1966 (C) e 1976(D)

Projeto IAGOS CARIBIC

IAGOS CARIBIC é um projeto científico inovador para estudar e monitorar importantes processos químicos e físicos na atmosfera terrestre. Medições detalhadas e extensas são feitas durante voos de longa distância. O CARIBIC implanta um contêiner modificado com aparato científico automatizado conectado a uma entrada de ar e partículas (aerossol) na parte inferior da aeronave. Usando um Airbus A340-600 de passageiros da Lufthansa, no total, mais de 550 voos foram concluídos com sucesso.

AERONET

AERONET é uma rede mundial de radiômetros espectrais solares baseados em terra que medem as propriedades das partículas atmosféricas. ou aerossol atmosférico.

Rede de Espectro Radiômetros, os dados adquiridos estão disponíveis para consulta no site.

Medem as radiâncias do Sol e do céu em vários comprimentos de onda fixos dentro do espectro visível e infravermelho próximo, fornecendo observações contínuas em nuvem de profundidade óptica espectral de partículas suspensas, água precipitável e etc. Varreduras de almucântar de brilho, do ângulo de espalhamento, distribuição do tamanho e volume do aerossol, índice de refração do complexo de aerossol, absorção óptica (albedo de espalhamento único) e a função de fase de espalhamento de aerossol. Fazem parte desta rede: AEROSPAN , CARSNET , AEROCAN , Photons

Publicações da Network for the Detection of Atmospheric Composition Change

SouthTRAC

A campanha SouthTRAC é um projeto conjunto de pesquisa atmosférica por centros de pesquisa e universidades alemãs dentro da estrutura DFG HALO-SPP 1294. No final de 2019, a aeronave alemã de pesquisa de alta altitude e longo alcance “HALO” é realocada para a Terra do Fogo (Río Grande) no extremo sul da América do Sul, a fim de realizar medições atmosféricas de quantidades meteorológicas e traço de gases no hemisfério sul médio – e latitudes altas.

As medições HALO são acompanhadas por medições baseadas no solo (por exemplo, lidar, radar, radiossondas) e medições a bordo de um planador operando de El Calafate. Os modelos de previsão meteorológica e química fornecem informações sobre o clima local, a circulação atmosférica e as distribuições de gases traço necessárias para um planejamento de voo preciso. Essas atividades incluem contribuições de grupos locais na América do Sul, EUA e outras instituições europeias fora da comunidade HALO.

A aeronave está equipada com um conjunto de 13 instrumentos que permitem estudar o estado atmosférico, a composição e os parâmetros dinâmicos por amostragem in-situ e sensoriamento remoto apontando para baixo, para cima e para os lados.

Publicações

https://www.imk-asf.kit.edu/english/Projects_FFB_3737.php

Radiossondagem

Conforme já descrito em publicação anterior, radiossondas embarcam uma série de instrumentos de medição que resultam em dados que permitem construir uma série histórica.