SOLAR E TERRESTRE RADIAÇÃO O O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA. 2. Radiação Eletromagnética. 1. Introdução. Características da Radiação Eletromagnética

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1 O O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA RADIAÇÃO SOLAR E TERRESTRE 1. Introdução RADIAÇÃO Radiação = Modo de transferência de energia por ondas eletromagnéticas única forma de transferência de energia sem a presença de um meio funciona melhor no vácuo (espaço vazio) Radiação = a única forma da Terra receber energia do Sol Os movimentos (a circulação atmosférica) são energizados pela radiação Da geometria Terra-Sol conhecemos: as variações espaciais e temporais da radiação recebida no topo da atmosfera A composição atmosférica : importante para a radiação recebida na superfície O3 radiação UV, radiação de onda curta H2O & CO2 radiação IV (IR), efeito estufa, radiação de onda longa diferentes tipos de radiação 2. Radiação Eletromagnética as ondas de radiação (ondas eletromagnéticas) são campos elétricos (E) e magnéticos (M) se movendo na velocidade da luz se propagando em todas as direções em linha reta Características da Radiação Eletromagnética A radiação eletromagnética é descrita por três variáveis interdependentes : comprimento de onda λ lambda [m, µm] freqüência ν nu [s -1, Hz] velocidade c[m s -1 ] (c = velocidade da luz ~ Km/s) crista cavado e s p e c t r o

2 TIPOS DE Radiação Eletromagnética 3. Espectro de Radiação (ou espectro eletromagnético) Espectro de Radiação é a distribuição de energia radiante sobre os diferentes comprimentos de onda (ou freqüências) Em meteorologia : somente uma pequena parte do espectro EM tem importância: faixa da radiação ultravioleta (UV) faixa da radiação visível faixa da radiação infravermelha (IV-IR) RADIAÇAO NO SISTEMA TERRA-ATMOSFERA (i) Principios Gerais 4. As Leis da Radiação Todos os corpos emitem radiação - a quantidade de energia e o comprimento de onda depende principalmente da temperatura de emissão - quanto maior a Temperatura mais os eletros vibram - menor é o comprimento de onda ( maior é a freqüência) - mais radiação total é emitida Radiation in the Earth-Atmosphere System shortwave radiation: only solar radiation longwave radiation: IR radiation emitted by the E/A-system Quando qualquer radiação é absorvida por um corpo: - aumenta o movimento molecular aumenta a temperatura (ii) Corpos Negros e Corpos Cinzas todo objeto ou corpo que absorve toda a radiação incidente é chamado de CORPO NEGRO é uma idealização: corpos perfeitamente negros não existem geralmente, é uma boa aproximação para a absorção em uma determinada faixa de comprimentos de onda muitas substância naturais se comportam aproximadamente como corpos negros

3 um corpo negro é também um emissor ideal Exemplos de CURVAS DE PLANCK o espectro de emissão segue uma lei geral (curva de Planck) que descreve a máxima emissão possível para uma dada temperatura é comumente usada como comparação padrão para espectros de emissão um corpo negro tem uma eficiência ideal de emissão, chamada emissividade : ε = 1 um objeto ou corpo com uma eficiência de emissão menor que a ideal (para todos os mesmos comprimentos de onda) é chamado de corpo cinza: um corpo cinza tem uma eficiência de emissão não-ideal : emissividade ε < 1 é geralmente uma boa aproximação para o espectro de emissão de corpos ou objetos reais Exemplos de CURVAS DE PLANCK A energia irradiada pelos corpos ocorrem sobre uma grande faixa de comprimentos de ondas. Devido a sua alta temperatura (~6000 K), a emissão por unidade de área do Sol (a) é vezes mais intensa que a emitida pela mesma área pela Terra (b). A radiação solar é também composta por comprimentos de ondas mais curtas do que a radiação emitida pela Terra. (iii) Reflexão Absorção Transmissão somente 3 coisas podem acontecer, quando radiaçãò com um comprimento de onda, λ, atinge um objeto: 1. Parte ou toda ela pode ser refletida: a fração refletida: refletividade, α λ essa parte não interage com o objeto, ela é rejeitada 2. Parte ou toda ela pode ser absorvida: fração absorvida: absorvidade, a λ essa parte aumenta a temperatura do objeto a energia radiativa é convertida em calor 3. Parte ou toda ela pode ser transmitida: fração transmitida: transmissividade, t λ esta parte não interage com o objeto, ela simplesmente passa através dele Com existe somente essas possibilidades, então, do principio de conservação: α λ + a λ + t λ = 1

4 (iv) Stefan-Boltzmann Law: Dá o fluxo total de energia Todos os corpos ou substancias emitem radiação proporcional à quarta potencia de sua temperatura absoluta Fluxo total de Energia emitido: F tot [W m-2] : F tot = εσt 4 Onde : ε emissividade (0 ~ 1); depende do tipo de substância σ constante de Stefan-Boltzmann = [W m-2 K-4] T temperatura absoluta do objeto emissor [K] Table 2-2, p.40 (v) Lei do Deslocamento de Wien: Fornece o comprimento de onda de máxima emissão O aumento da temperatura de um objeto não somente aumenta a sua emissão total de energia radiante, mas também muda sua emissão de energia para comprimentos de ondas menores, numa proporção inversa de sua temperatura Onde : λmax - comprimento de onda [µm] a - constante: 2898 [µm K] T temperatura absoluta [K] Fig. 2-7, p.34

5 INFLUÊNCIAS da ATMOSFERA SOBRE A RADIAÇÃO Fig. 2-8, p INTRODUÇÃO BALANÇO GLOBAL DE RADIAÇÃO DE ONDA CURTA (uma visão geral) ~ 30 % da radiação solar é refletida pelas nuvens, gases atmosféricos e pela superfície ~ 25 % da radiação solar é absorvida pela atmosfera (nuvens, gases atmosféricos, aerosois) ~ 45 % da radiação solar é absorvida pela superfície (oceanos, superfície dos continentes) Influência das NUVENS no Balanço de Radiação de Onda Curta Condições de céu claro (sem nuvens): ~ 70 % da radiação solar é absorvida pela superfície (55% de radiação direta e 15% de radiação difusa) somente ~ 13 % da radiação solar é refletida Condições nebulosas (céu coberto): ~ 25 % da radiação solar é absorvida pela superfície (4% de radiação direta e 21% de radiação difusa) ~ 51 % da radiação solar é refletida

6 2. Reflexão e Espalhamento da Radiação Reflexão: redirecionamento da radiação pela superfície 2. Reflexão e Espalhamento da Radiação Espalhamento: por moléculas de gás ou por pequenas partículas ou gotículas Reflexão especular (espelho) Reflexão difusa ou espalhamento CÉU azul e NUVENS brancas : Espalhamento Rayleigh e Espalhamento Mie MOLECULAS DO AR tendem a espalhar mais o comprimentos de ondas mais curtos, e em todas as direções lado mais azul do espectro visível a radiação difusa (do céu) parece azul PARTICULAS (gotículas e aerossois) tendem a espalhar igualmente todos os comprimentos de onda, e mais para a frente do que para trás (espalhamento para trás ~ reflexão) mistura de todas as cores : luz branca nuvens, neblina, nevoeiro parecem brancos, cinza ou leitoso 3. TRANSMISSÃO da Radiação através da Atmosfera quantidade de radiação que resta após atravessar toda a atmosfera a) No topo da atm.: a luz (branca) solar começa a ser espalhada, principalmente sua parte azul b) Quando a rad. avança pela atm., mais rad. azul é espalhada para fora do feixe direto (e transmitida como rad. difusa) múltiplos espalhamentos c) Na superfície a maior parte da luz transmitida no feixe direto é a luz amarela e vermelha por do sol ou nascer do sol vermelho

7 4. ABSORÇÃO da Radiação na Atmosfera ABSORÇÃO: conversão de radiação em calor -> aumenta a temperatura da substancia absorvedora LEI DE KIRCHOFF: Se uma substância é um emissor eficiente em uma dada faixa de comprimentos de onda, ela também é um eficiente absorvedor na mesma faixa de comprimento de onda: ε λ = a λ ABSORÇÃO SELETIVA: a absorvidade dos gases atmosféricos é altamente especifica a determinadas bandas espectrais ou a faixas de comprimentos de onda ABSORÇÃO SELETIVA Absorvedores da RADIAÇÃO SOLAR (OC): - absorvedores de UV: ozônio (O3) e oxigênio (O2) - no visível : (0,4 a 0,7 µm) : quase nada ( janela ) Absorvedores de RAD. TERRESTRE (OL): - absorvedores de IV: H2O, CO2, N2O, O3, O2 - pico da radiação terrestre (8 a 12 µm) : quase nada ( janela ) A atmosfera é transparente para a radiação solar mas quase opaca para a radiação terrestre: aprisionamento de radiação por efeito estufa Espectro da radiação solar no topo da atmosfera (curva superior) e no nível do mar (curva inferior), para atmosfera média e sol no zênite. A área entre as duas curvas representa a diminuição da radiação devido a: 1) Retro-espalhamento e absorção por nuvens e aerossóis e retroespalhamento por moléculas do ar (área não sombreada) e 2) absorção por moléculas do ar (área sombreada) Absortividade de alguns gases da atmosfera e da atmosfera como um todo : as janelas janelas UV janela no visivel UV VIS IV

8 O que acontece se fechar as janelas? Janela da rad. visivel: - aumentar a cobertura de nuvem, e/ou os aerossóis refletores - aumentar o albedo global - redução da entrada de energia no sistema Terra-Atmosfera - EFEITO DE ESFRIAMENTO O que acontece se fechar as janelas? Janela da rad. de onda longa: - aumentar H2O, CO2 ou outros gases do efeito estufa - aumentar a absorção de IV na atmosfera - EFEITO DE AQUECIMENTO - ou (aumento do) EFEITO ESTUFA Efeito estufa