Radiação Solar como forçante climática

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1 Radiação Solar como forçante climática O Sol fornece 99,97 % Emite 2,34 x10 22 MJ/min. Terra intercepta apenas 1,06 x MJ (milionésimo) Milhares de vezes maior que consumo anual de energia no planeta. Radiação solar é a fonte de energia nos fenômenos termodinâmicos da atmosfera terrestre.

2 LINHAS DO CAMPO MAGNÉTICO TERRA TEMPESTADE SOLAR SOL

3 Características gerais do Sol Esfera de gases incandescentes. T centro = K T superfície = 6000 K 80% de hidrogênio e 18% de hélio. principais componentes: hidrogênio (75%) e hélio (25%) + elementos mais pesados (ferro, silício, neônio e carbono) Fusão Nuclear (Hidrogenio convertido em Hélio) Massa ~ kg

4 Fatores que caracterizam o estado climático: 1. a quantidade de energia proveniente do sol recebida pelo sistema climático 2. a maneira pela qual esta energia é distribuída e absorvida sobre a superfície da Terra; 3. a natureza da interação dos processos entre vários componentes do sistema climático.

5 DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL DA RADIAÇÃO SOLAR LOG I MÁXIMO SOLAR MINIIMO SOLAR RAIOS X + UV COMPRIMENTO DE ONDA ( Å )

6 LEIS DA RADIAÇÃO

7 REFLEXÃO, ABSORÇÃO E TRANSMISSÃO E E = A + R + T DIVIDINDO POR E + + = 1

8 LEI DE STEFAN-BOLTZMAN = ENERGIA EMITIDA POR UM CORPO ROL = εσt e 4, ONDE ε = EMISSIVIDADE DO CORPO σ = CONSTANT DE BOLTZMAN = 5.67X10-8 W/m 2 /K Te = TEMPERATURA EFETIVA NUVENS ALTAS (Cb) TEM TOPO FRIO, Te É BAIXA, IRRADIAM MENOS NUVENS BAIXAS TEM TOPO QUENTE, Te É ALTA, IRRADIAM MAIS EXEMPLOS: Te = 200 K [- 73ºC] ROL = 90 W / m 2 Te = 273 K [ 0ºC] ROL = 315 W / m 2 Te = 300 K [27ºC] ROL = 460 W / m 2

9 Lei de Wien: λ m em micrometros e T em graus Kelvin. Estima-se a temperatura de uma fonte de radiação sabendo-se o espectro de emissão. Radiação solar concentrada nas regiões visível (0,4-0,7µm) e infravermelho próximo (0,7-4µm) do espectro Radiação emitida pelos planetas e suas atmosferas confinada ao infravermelho (>4µm)

10 Ultravioleta Visível Infravermelho Unidades relativas de energia SOL TERRA Unidades relativas de energia COMPRIMENTO DE ONDA (µm) Figura 01 - Comparação entre o espectro de emissão do Sol e da Terra. Fonte: Adaptado de

11 Espectro eletromagnético: Raios gama Raios X Raios UV Raios infravermelhos Radar FM TV Ondas curtas AM Comprimento de onda (m) Luz visível Comprimento de onda (nanometros) Figura 02 - Espectro eletromagnético. Fonte: adaptado de

12 SALDO DE RADIAÇÃO DE ONDA CURTA

13 Balanço de Radiação

14 RADIAÇÃO DE ONDAS CURTAS (ROC) ESPECTRO SOLAR

15 DISTRIBUIÇÃO DE RADIAÇÃO SOLAR POR BANDAS ESPECTRAIS ULTRAVIOLETA 0,100 λ 0,400 μm 8,3% UVC 0,100 λ 0,280 μm 0,5% UVB 0,280 λ 0,315 μm 1,5% UVA 0,315 λ 0,400 μm 6,3%

16 Estratopausa Tropopausa

17 DISTRIBUIÇÃO DE RADIAÇÃO SOLAR POR BANDAS ESPECTRAIS ULTRAVIOLETA 0,100 λ 0,400 μm 8,3% UVC 0,100 λ 0,280 μm 0,5% UVB 0,280 λ 0,315 μm 1,5% UVA 0,315 λ 0,400 μm 6,3% VISÍVEL 0,40 λ 0,76 μm 45,0%

18

19 DISTRIBUIÇÃO DE RADIAÇÃO SOLAR POR BANDAS ESPECTRAIS ULTRAVIOLETA 0,100 λ 0,400 μm 8,3% UVC 0,100 λ 0,280 μm 0,5% UVB 0,280 λ 0,315 μm 1,5% UVA 0,315 λ 0,400 μm 6,3% VISÍVEL 0,40 λ 0,76 μm 45,0% INFRAVERMELHO 0,76 λ 4,00 μm 46,7%

20 RADIAÇÃO DE ONDAS LONGAS (ROL) ESPECTRO TERRESTRE

21 INFRAVERMELHO TÉRMICO 4 μm λ 100 μm

22

23 ABSORÇÃO DE ROL PELA ATMOSFERA U 8 m JANELA 12 m

24 COMPONENTES DE RADIAÇÃO DO PLANETA TERRA Radiação infravermelha emitida (ROL) Radiação solar incidente (ROC) Radiação solar refletida

25 ROC = ROL

26 EFEITOS DE NUVENS NA RADIAÇÃO SOLAR E TERRESTRE

27 EFEITO ESTUFA Forma que a Terra tem para manter sua temperatura constante impede que raios solares sejam refletidos para o espaço e que o planeta perca seu calor fenômeno natural. Atmosfera transparente à OC e opaca à OL Vapor d água, CO 2 e outros gases absorvem radiação mais intensamente no trecho de OL do espectro radiação terrestre. Efeito estufa intensificado ou antropogênico concentração de gases traço no ar absorvem luz IR térmica redirecionamento de quantidade de energia IR refletida aumento da temperatura média da superfície além dos 15ºC.

28 Figura 05 Esquema do efeito estufa na atmosfera. Fonte:

29 Tabela 1 Principais gases estufa e seu potencial de aquecimento global. Estimativa de contribuição ao aumento do efeito estufa. Fonte: adaptado de Baird, Tempo de residência (anos) Taxa de eficiência de aquecimento (por molécula) Abundância Gás atual CO 2 365ppm CH 4 1,72ppm N 2 O 312ppb CFC-11 0,27ppb Halon ,002ppb HCFC-22 0,11ppb HFC134a 2ppt

30

31 Baseado nestes fatores, as teorias das causas das mudanças climáticas podem ser classificadas em: 1. Causas terrestres (mudança na atmosfera e/ou superfície), erupções 2. Causas astronômicas e 3. Causas extraterrestres

32 Causas astronômicas mudanças na excentricidade da órbita terrestre, na precessão dos equinócios e na obliqüidade do plano da eclíptica

33 PARÂMETROS ORBITAIS (CICLOS DE MILANKOVITCH) EXCENTRICIDADE DA ÓRBITA INCLINAÇÃO DO EIXO DE ROTAÇÃO PRECESSÃO DO EIXO DE ROTAÇÃO

34 Excentricidade da órbita terrestre PERÍODO: ~100 MIL ANOS VARIA ENTRE. 0,001 ε 0,057 ATUAL = 0,017 Quanto mais próximo a 0 mais circular

35 EXCENTRICIDADE DA ÓRBITA EXCENTRICIDADE X ANOS ATRÁS

36 Excentricidade da órbita terrestre No periélio (04/01) a recepção de energia é 6% > afélio (04/07) Daqui a 24 mil anos valor mínimo Duração das quatro estações Alteração na quantidade de radiação Quanto menor a excentricidade da órbita eclíptica, menores serão as diferenças na duração das estações, sendo contrário também verdadeiro.

37 Precessão dos equinócios Esquema do movimento de precessão semelhante ao de um pião.

38

39 Precessão dos equinócios Periodicidade de ~ anos Polaris, mas há anos apontava para a estrela Vega Causa provável: Atração gravitacional entre o Sol, a Terra e a Lua Mudança na quantidade de radiação conforme o período do ano (estação)

40 Obliqüidade do plano da eclíptica VARIA ENTRE. 21,5º Θ 24,5º ATUAL= 23,5º MENOR INCLINAÇÃO IMPLICA EM MENOR VARIAÇÃO SAZONAL, VERÕES MAIS AMENOS (MENOR DERRETIMENTO DE NEVE ) E INVERNOS MAIS QUENTES

41 Obliqüidade do plano da eclíptica periodicidade de aproximada de anos As estações resultam desta inclinação Diminuição na obliqüidade da eclíptica diminuiria as diferenças entre as estações. aumentaria a distinção entre as zonas climáticas. Um aumento no ângulo causaria marcantes diferenças sazonais, porém as zonas geográficas seriam menos distintas.

42 Superposição dos ciclos de Milankovitch passado futuro Excentricidade Precessão Obliquidade

43 Efeito dos ciclos na radiação solar em 65ºN TEMPO (em k anos) excentricidade precessão inclinação Radiação Solar 65ºN (W/m -2 )

44 Causas extraterrestres alterações na quantidade de energia solar que chega a Terra output solar (mancha solar, erupção solar, ejeção de massa, proeminências..) Poeira estelar Existem flutuações cíclicas (11, 22, 44 anos...) Manchas solar (ciclos de 11 anos)

45

46 RADIAÇÃO [ W m -2 ] CONSTANTE SOLAR ( 1370 W m -2 )

47 Mancha Solar

48 Manchas solares - Ciclos de 11 anos Período de baixas temperaturas

49 Indicadores do clima do passado Anel de árvore Núcleo de gelo Núcleo de recifes de coral Núcleo de sedimentos no chão de oceanos Sedimento terrestre

50 Anel de árvore Árvores crescem em duas fases distintas cada ano, formando um anel de crescimento do ano. Primavera/Verão Verão/Outono Árvore de mais longa vida - Pinus Longaeva (Bristlecone pine), 4765 anos.

51

52 Núcleo de gelo Formação das geleiras principais locais de coleta. Característica das amostras Amostra mais antiga 3546 m/ 400 mil anos. Material encontrado

53

54 Núcleo de sedimentos no chão de oceanos Nos fundos dos oceanos acumulam sedimentos de materiais produzidos biologicamente, materiais trazidos por atmosfera e água. Taxa de acúmulo de sedimentos: cm por mil anos m por milhão de anos Resultados de pesquisas: metros; 2milhões de anos de dados

55 Razão 18 O/ 16 O Quanto mais baixa for a temperatura num dado período de tempo, maior a quantidade do isótopo de 18 O contém a neve que se acumula

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