Última aula: pressão, temper atura, densidade ... · Conservação de Energia •Radiação...
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Última aula: pressão, temperatura, densidade,termodinâmica básica
Hoje:
O s Fundam entos da Radiação Solar e Terrestre
M udança de Fase da Água
Radiação – Ondas Eletrom agnéticas
1µm = 0,000001 m = 10-6 m
λ: comprimento de ondaν: freqüência da onda
As ondas eletromagnéticas nãoprecisam de moléculas parase propagar. No vácuo,viajam com uma velocidadeconstante de 3 x 108 m/s.
E = hν - conforme λ decresce,a energia carregada pelaonda aumenta.
Radiação: leis básicas
– Lei de Stefan Boltzman:
E = σ T4 (E está em W atts/m 2) N m = J; J s-1 = W
Força (N) – kg m s-2; Energia (J) – N m ; Potência (W ) J s-1
Conforme T aumenta, E aumenta a uma potência de 4.
Se T dobra, E aumenta 16 vezes!
Tudo emite radiação?
– Lei de W ien:
λm ax ~ 3000/T (λmax está em µm e T , Kelvin)
O comprimento de onda associado à máxima radiaçãoemitida por um objeto é inversamente proporcional àtemperatura
c*= λ ν ν λ
Caracterização da radiação
• Pela fonte– Radiação solar – originária do Sol– Radiação terrestre – originária da Terra
• Pelo nom e– ultra violeta, visível, infraverm elho próxim o,infraverm elho, m icro-ondas etc… .
• Por seu com prim ento de onda– Radiação de onda curta: λ ≤ 3 m icrôm etros– Radiação de onda longa: λ > 3 m icrôm etros– 1µm = 10-6 m 1 nm = 10-9 10-6 m m
Espectro electromagnético do Sol
Espectro do Sol comparado ao da Terra
OC OL
CALCULE O λm ax
TSol = 6000 K
λm ax ~ 3000/Tλm ax = ?
TTerra = 288 K
λm ax ~ 3000/Tλm ax = ?
Radiação de Corpo Negro
• Um objeto hipotético que absorve toda a radiaçãoincidente e emite radiação a uma taxa máxima,para uma certa temperatura (ε=1).– Não tinha que ser preto?
• A taxa de emissão é dada por:– lei de Stefan Boltzmann (integral da lei de Planck)
– lei de W ien (λ correspondente à máx emissão)– lei de Planck (emissão dependente de λ) Eλ=hν
Se a Terra sem pre em ite radiação, por que ela não esfria?Ela está numa estado de equilíbrio radiativo.Radaiação que entra é balaveada pela radiação que sai.
A que temperatura este equilíbrio é alcançado no sistema Terra?255 K
•O equilíbrio radiativo prevê uma temperatura superficial de~ 255 K ou ~ -18 oC
•M as, a temperatura média observada na superfície da terra é ~15oC.
Por que? A resposta está no entendimento da absorção, reflexão,transmissão e radiação.
BalançoBalanço dede Radiação TerrestreRadiação Terrestre
Energia incidente = Energia que sai
(raios absorvidos)(área) = (perda térmica)(área)
S(1-α)πr2 = σ T4 (4πr2) área do disco área da esfera
Conservação de Energia
• Radiação incidente sobre um meio pode ser:– absorvida
– refletida
– transmitida
• Ei = Ea + Er + Et
Ei
Ea
Er
Et
Reflexão: o albedo de várias superfícies
• albedo radiação refletida
radiação incidente
• albedo superficial varia– espacialmente
– temporalmente
Espalhamento: por que o céu é azul durante o dia?Espalhamento Rayleigh
• A luz do sol é espalhada pormoléculas
• Como as moléculas são muitomenores do que o comprimento deonda da radiação, o espalhamento daradiação com λ menores (verde,azul e violeta) é mais eficiente
• A menos que olhemos diretamentepara o sol, enchergamos luzespalhada pela atmosfera, então acor que vemos é dominada peloscomprimentos de onda pequenos
• A cor azul predomina sobre avioleta pois nossos olhos são maissensíveis à luz azul
Espalham ento Rayleigh
• raio da partícula << l
• energia espalhada é dependente de l
E ~ 1/ λ4
- Cor azul (λ = 0,425µm) é muito espalhada- Cor vermelha (λ = 0,625 µm) é pouco espalhada
4
1
λ=E
Espalham ento M ie
• λ < raio da partícula < 8 x λ
• espalham ento não depende de λ
• A radiação é espalhada igualm ente em todos os λ
• pequenos cristais de gelo ou gotículas de água e am aior parte dos aerossóis atm osféricos espalham aluz do Sol desta m aneira. Por isso, as nuvensparecem brancas e quando a atm osfera contémgrande concentração de aerossóis o céu inteiroaparece esbranquiçado.
Por que o pôr do sol é avermelhado?
• O sol parece aproximadamente branco aomeio-dia pois todos os comprimentos da luzvisível são espalhados
• Próximo do horizonte, a luz do sol deveatravessar um caminho muito maior
– M ais espalhamento da radiação com λpequeno
– Portanto, sobra mais radiação com λgrande
• Numa atmosfera limpa, o espalhamento pelosgases remove as ondas curtas da luz visível
– O sol parece alaranjado/amarelado devidoa apenas os λs maiores atravessarem aatmosfera
– Quando a concentração de partículas éalta, os λs mais longos, nos tons deamarelo, também são espalhados
- O sol parece vermelho/alaranjado
Absorção: Lei de Kirchoffabsortividade = emissividade
• Objetos que são bonsabsorvedores são bonsemissores também– Considere uma estrada deasfalto• Durante o dia o asfalto absorveradiação solar e aquece
• À noite, o asfalto emite radiaçãoIV e se resfria relativamente àsredondezas
Estrada de asfalto(aquece devido à radiação solar)
Estrada de asfalto(resfria devido à radiação IV)
Dia
Noite
Aquece
Esfria
As árvores são m elhores absorvedores da luz solar do que a neve
(b) Com o efeito estufa
Sem GEE Com GEE Com GEE (balanço)
Imagine uma atmosfera hipotética …
O que aconteceria com a temperatura da superfície da Terra se:•Adicionarmos um gás que absorve preferencialmente OL?•Adicionarmos um gás que absorve preferencialmente OC?•Adicionarmos um gás na atmosfera que absorve tantoradiação solar quanto terrestre?
ESPECTRO ELETROM AGNÉTICOE ABSORÇÃO
CO 2 bom absorvedor de OL
Janela Atmosférica
• Porção do espectro electromagnético emque os gases absorvem relativamente pouco– Comprimentos de onda na banda do visível
•A visão evoluiu para usar justamente a grandeintensidade de radiação na banda do visível
– 8 -11 micrometros na banda do terrestre•Nuvens (gotículas) são bons absorvedores nestabanda
O que acontece com a radiação de OCincidente no topo da atm osfera?
• Pode ser absorvida pela atmosfera
• Pode ser refletida pelas nuvens, partículas e moléculasdo ar de volta para o espaço
• Pode ser transmitida para a superfície– onde ela pode ser
• absorvida pela superfície
• refletida de volta para a atmosfera
– parte pode ser absorvida pela atmosfera
– parte pode ser transmitida através da atmosfera de volta para o espaço
O que acontece com a radiação de OL(terrestre)?
• A superfície da Terra em ite radiação de OL a um atem peratura m ais alta do que a topo da atmosfera.– Parte desta radiação escapa diretam ente para o espaço atravésda atm osfera, resfriando então o planeta
– Parte é absorvida por gases e nuvens na atm osfera
• O s gases atm osféricos e as nuvens em item radiação deonda longa em todas as direções– A em issão de OL para baixo aquece a superfície
– A em issão de OL para cim a juntam ente com aquela que escapada superfície diretam ente para o espaço, resfria o planeta.
M AIORES ABSORVEDORES DE OL
H 2O v (60% do efeito estufa)
CO 2 (26% do efeito estufa)
14% - restante dos gases
CFC – 12
O 3
Nuvens (água líquida)
Balanço Anual de Radiação – OC
Balanço Anual de Energia
100 energia solar - 30 refletida = 70 sistema
Balanço de OC e OL:
Ocorre balanço radiativo no topo da atm osfera?
Na atm osfera?
Na superfície da Terra?
Balanço Radiativo?
Imbalanço Radiativo
A superfície ganha 30 unidades de radiação, e aatmosfera perde 30 unidades de radiação!
Por que a superfície da Terra não se aquece ea atmosfera não se resfria indefinidamente?
Quais são os outros processo de transferência de calor?ConducçãoConvecçãoEvaporação/condensação (calor latente)
OO Papel daPapel da Atm osferaAtm osfera éétransportartransportar a a energiaenergia!!
“Acúmulo” nos trópicos “Escape” nos pólos e em níveis superiores
O movimento do ar (e oceanos) permite que a energia seja transportada para suas “zonas de escape”!
Em issão dos Gases do Efeito Estufa
• As atividades humanas têm causado umaumento intenso nas concentrações dosgases do efeito estufa
O efeito no clim a futuro é difícil de seprever
• Os efeitos radiativos diretos dos gases do efeitoestufa são previstos com alguma facilidade
• A retroalimentação (feedbacks) negativa e positivacomplicam as previsões climáticas. Por exemplo,– um clima mais quente significa uma evaporação maiorde água• O vapor d’água é um potente gás do efeito estufa (feedbackpositivo)
• M ais água pode aumentar a formação de nuvens e, então,resfriar a terra (feedback negativo)
• Por que devemos nos preocupar com as mudançasclimáticas?
Os EUA constituem o m aior em issor dosgases do efeito estufa