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Última aula:pressão, temperatura, densidade, termodinâmicabásica Hoje: OsFundam entosda Radiação Solar e Terrestre

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Última aula: pressão, temperatura, densidade,termodinâmica básica

Hoje:

O s Fundam entos da Radiação Solar e Terrestre

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M udança de Fase da Água

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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.

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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

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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

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Espectro electromagnético do Sol

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Espectro do Sol comparado ao da Terra

OC OL

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CALCULE O λm ax

TSol = 6000 K

λm ax ~ 3000/Tλm ax = ?

TTerra = 288 K

λm ax ~ 3000/Tλm ax = ?

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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

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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.

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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

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Conservação de Energia

• Radiação incidente sobre um meio pode ser:– absorvida

– refletida

– transmitida

• Ei = Ea + Er + Et

Ei

Ea

Er

Et

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Reflexão: o albedo de várias superfícies

• albedo radiação refletida

radiação incidente

• albedo superficial varia– espacialmente

– temporalmente

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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

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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

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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.

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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

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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

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As árvores são m elhores absorvedores da luz solar do que a neve

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(b) Com o efeito estufa

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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?

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ESPECTRO ELETROM AGNÉTICOE ABSORÇÃO

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CO 2 bom absorvedor de OL

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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

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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

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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.

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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)

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Balanço Anual de Radiação – OC

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Balanço Anual de Energia

100 energia solar - 30 refletida = 70 sistema

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Balanço de OC e OL:

Ocorre balanço radiativo no topo da atm osfera?

Na atm osfera?

Na superfície da Terra?

Balanço Radiativo?

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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)

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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”!

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Em issão dos Gases do Efeito Estufa

• As atividades humanas têm causado umaumento intenso nas concentrações dosgases do efeito estufa

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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?

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Os EUA constituem o m aior em issor dosgases do efeito estufa