2_O Aquecimento da Terra e da Atmosfera

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO 
CENTRO DE CIÊNCIAS MATEMÁTICAS E DA NATUREZA 
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS 
DEPARTAMENTO DE METEOROLOGIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O AQUECIMENTO DA TERRA E DA ATMOSFERA1 
 
 
 
 
 
 
 
POR 
 
 
 
 
 
 
 
DANIEL PIGOZZO 
MARIA GERTRUDES ALVAREZ JUSTI DA SILVA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RIO DE JANEIRO, RJ 
NOVEMBRO, 1998 
 
1 Tradução com finalidade didática de: 
AHRENS, A. D. Essentials of Meteorology: an invitation to the atmosphere. West Publishing Company, New York, 1993. Cap. 2, p 26-51. 
O Aquecimento da Terra e da Atmosfera 
 
Temperatura e Transferência de Calor 
 Calor Latente 
 Escalas de Temperatura 
 Condução 
 Convecção 
 Radiação 
Balanço Térmico - Absorção, Emissão e Equilíbrio 
 Absorvedores Seletivos e o Efeito Estufa Atmosférico 
 Intensificares do Efeito Estufa 
 O Aquecimento do Ar de Baixo para Cima 
A Energia Solar que nos Chega 
 O Balanço Energético Anual da Terra 
 A Energia Solar e a Aurora 
 Por que a Terra tem Estações 
 Estações no Hemisfério Norte 
 Estações no Hemisfério Sul 
 Variações Sazonais Locais 
Resumo 
Termos Chave 
Questões de Revisão 
 
Ao mesmo tempo que está aí sentado lendo 
este texto, você é parte de uma grandiosa 
experiência de movimento. A Terra está girando em 
volta do Sol a milhares de quilômetros por hora, 
enquanto ao mesmo tempo ela gira em torno de seu 
eixo. Quando olhamos diretamente para o Pólo 
Norte, nós vemos que a direção da rotação é contra 
o movimento dos ponteiros do relógio, o que quer 
dizer que estamos nos movendo em direção a leste 
a milhares de quilômetros por hora. Normalmente 
não pensamos nisso dessa maneira, mas, com 
certeza, isto é o que faz com que o sol, a lua e as 
estrelas nasçam em leste e se ponham no oeste. De 
fato, são estes movimentos, juntos com a energia do 
sol, que dão origem as nossas estações. Mas, como 
veremos adiante, a energia solar não é distribuída 
igualmente por toda a superfície da Terra, estando 
as regiões tropicais recebendo mais energia do que 
as regiões polares. É esta energia não equilibrada 
que guia nossa atmosfera nos padrões dinâmicos 
que nós experimentamos como ventos e como 
nosso tempo meteorológico. 
 Portanto, começaremos este capítulo 
examinando os conceitos de energia e transferência 
de calor. Depois, veremos como nossa atmosfera se 
esquenta e se resfria. E por último, veremos como o 
movimento da Terra e a energia solar trabalham 
juntos para produzir as estações. 
 
Temperatura e Transferência de 
Calor 
 
 A temperatura é uma quantidade que nos diz 
quão quente ou frio algo está relativo a algum valor 
padrão. Mas podemos olhar a temperatura de outra 
maneira. 
 Sabemos que o ar é uma mistura incontável 
de bilhões de átomos e moléculas. Se eles 
pudessem ser vistos, apareceriam se movendo em 
todas as direções, se lançando livremente, torcendo-
se, girando e colidindo uns com os outros, como um 
enorme enxame de abelhas nervosas. Perto da 
superfície da Terra, cada molécula poderá viajar pelo 
menos mil vezes o seu diâmetro antes de colidir com 
outra molécula. Além disso, perceberíamos que 
todos os átomos e moléculas não estão se movendo 
a mesma velocidade, alguns estão se movendo mais 
rápido do que outros. A energia associada a este 
movimento é chamada energia cinética, a energia 
do movimento. A temperatura do ar (ou de qualquer 
substância) é uma medida da sua energia cinética 
média. Falando de uma maneira simples, a 
temperatura é uma medida da velocidade média dos 
átomos e moléculas, onde maiores temperaturas 
correspondem a maiores velocidades médias. 
 Se nós lentamente resfriarmos o ar, seus 
átomos e moléculas se moverão mais devagar e 
devagar até que o ar atinja a temperatura de -273º C 
(-459º F), que é a menor temperatura possível. 
Nesta temperatura, chamada zero absoluto, os 
átomos e moléculas possuiriam uma quantidade 
mínima de energia e teoricamente nenhum 
movimento térmico. No zero absoluto, nós podemos 
começar uma escala de temperatura chamada de 
absoluta ou escala Kelvin, devida à Lorde Kelvin 
(1814-1907), um famoso cientista britânico que a 
introduziu. (Se você não está familiarizado com esta 
escala, ou com as escalas Celsius ou Fahrenheit, 
leia a seção focus.) 
 A atmosfera tem uma energia interna 
(térmica), que é a energia que ela possui devida a 
sua temperatura. O calor, por outro lado, é energia 
envolvida no processo de transferência de um objeto 
para outro por causa da diferença de temperatura 
que há entre eles. Depois de ser transferido, o calor 
é armazenado como energia interna. Na atmosfera, 
o calor é transferido por condução, convecção e 
radiação. Examinaremos com mais detalhe estes 
mecanismos de transferência de energia depois de 
darmos uma olhada no conceito de calor latente. 
 
Calor Latente – A energia térmica necessária 
para mudar o estado de uma substância é chamada 
de calor latente. Mas por que este calor é chamado 
"latente"? Para responder essa pergunta, 
começaremos com algo bastante familiar para nós - 
o resfriamento produzido pela evaporação d'água. 
 Suponha que examinemos 
microscopicamente uma pequena gota de água 
pura. Na superfície da gota, moléculas estão 
escapando constantemente (evaporando). Por 
estarem mais energizadas, as moléculas que se 
movem mais rápido, escapam mais facilmente, o 
movimento médio de todas as moléculas deixadas 
para trás diminui na medida em que cada molécula 
evapora. Uma vez que temperatura é a medida do 
movimento molecular médio, um movimento mais 
lento sugere uma menor temperatura da água. A 
evaporação é portanto um processo de resfriamento. 
Analisando por outro lado, a evaporação é um 
processo de resfriamento porque a energia 
necessária para evaporar a água - ou seja, para 
mudar sua fase de líquida para gasosa - deve vir da 
água ou de outras fontes, incluindo o ar. 
 A energia perdida pela água líquida durante 
a evaporação será armazenada e carregada com a 
molécula de vapor d'água. A energia está então 
“armazenada” ou ”escondida” e é portanto chamada 
calor latente. Ele é latente, porque a temperatura de 
uma substância mudando do estado líquido para o 
gasoso fica constante. Todavia, a energia térmica vai 
reaparecer como calor sensível (o calor que 
podemos sentir e medir com um termômetro) quando 
o vapor condensar novamente em água líquida. 
Portanto, a condensação (o oposto de evaporação) 
é um processo de aquecimento. 
 A energia térmica liberada quando o vapor 
d'água se condensa para formar gotas de chuva é 
chamado calor latente de condensação. 
Inversamente, a energia térmica usada para 
transformar líquido em vapor a mesma temperatura 
é chamada calor latente de evaporação 
(vaporização). Perto de 600 calorias2 são 
necessárias para evaporar uma simples grama de 
água a temperatura ambiente. Com muitas centenas 
de gramas de água evaporando do corpo, não é de 
se admirar que depois de um banho, sentimos frio 
antes de nos enxugarmos. 
 A fig. 2.1 resume bem os conceitos 
examinados até agora. Quando a mudança de 
estado é da esquerda para a direita, o calor é 
absorvido pela substância e retirado do meio 
ambiente. Quando a mudança de estado é da direita 
para a esquerda, a energia térmica é liberada pela 
substância e adicionada ao meio ambiente. 
 O calor latente é uma fonte importante de 
energia para a atmosfera. Uma vez que moléculas 
de vapor se separam da superfície da Terra, elas 
são carregadas pelo vento, como poeira depois de 
 
2 Por definição, uma caloria é a quantidade de calor 
necessária para aumentar a temperatura de 1 grama de 
água de 14,50 C para 15,50 C. 
varridas. Subindo agrandes altitudes, onde o ar é 
frio, o vapor se transforma em líquido e partículas de 
gelo nas nuvens. Durante esse processo, uma 
tremenda quantidade de energia térmica é liberada 
no ambiente. (Veja fig. 2.2). 
 O vapor d'água evaporando das quentes 
águas tropicais, pode ser transportado até regiões 
polares, onde se condensa e libera energia térmica. 
Assim como veremos, o processo de evaporação–
transporte–condensação é um mecanismo 
extremamente importante para a recolocação da 
energia térmica (assim como da água) na atmosfera. 
 
Condução - A transferência de calor de molécula 
para molécula em uma substância é chamada 
condução. Segure uma extremidade de um pino de 
metal entre seus dedos e coloque a chama de uma 
vela na outra extremidade (veja Fig. 2.3). Por causa 
da energia absorvida da chama, as moléculas do 
pino vibram mais rapidamente. Essas moléculas 
colidem com suas vizinhas, fazendo estas se 
moverem mais rápido. Essas, do mesmo jeito, 
colidem com suas vizinhas, e assim vai até que as 
moléculas da outra extremidade começam a vibrar 
rapidamente também. Esse rápido movimento das 
moléculas eventualmente faz com que as moléculas 
do seu dedo vibrem mais rápido. O calor está sendo 
agora transferido do pino para o seu dedo, e ambos, 
o pino e seu dedo estão quentes. Se calor suficiente 
é transferido, você soltará o pino. A transmissão de 
calor de um lado para outro do pino, e do pino para o 
seus dedos, ocorre por condução. A transferência de 
calor neste sistema sempre flui das regiões mais 
quentes para as mais frias. Geralmente, quanto 
maior a diferença de temperaturas, mais rápida é a 
transferência de calor. 
 Quando os materiais podem passar energia 
facilmente de uma molécula para outra, eles são 
considerados bons condutores de energia. Quão bem 
eles conduzem calor, depende primordialmente de 
como suas cadeias moleculares estão estruturadas entre 
elas. A Tabela 2.1 mostra que sólidos, como metais, 
são bons condutores térmicos. Muitas vezes é difícil 
estimar a temperatura de objetos metálicos. Por 
exemplo, se você pega um cano metálico a temperatura 
ambiente, ele parecerá muito mais frio do que 
realmente está, porque os metais conduzem o calor 
para fora da mão muito rápido. Inversamente, o ar é 
um condutor muito pobre de calor, o que explica 
porque muitos materiais que são isolantes térmicos 
possuem vários espaços de ar dentro deles. O ar é um 
condutor tão pobre de calor, que em tempo calmo, o 
solo quente somente esquenta uma fina camada de 
atmosfera de alguns centímetros por condução. 
Todavia, o ar pode carregar esta energia rapidamente 
de uma região para outra. Como é que este fenômeno 
ocorre então? 
 
Convecção - A transferência de calor pelo 
movimento da massa de um fluído (como a água e o 
ar) é chamada convecção. Este tipo de 
transferência térmica aparece em líquidos e gases, 
porque eles podem se mover livremente e é possível 
estabelecer correntes dentro deles. 
 Convecção ocorre naturalmente na 
atmosfera. Num dia quente de sol, certas áreas da 
superfície da Terra absorvem mais energia do que 
outras. Consequentemente, o ar perto da superfície 
é aquecido diferencialmente. As moléculas de ar 
adjacentes a estas superfícies quentes, ganham 
energia extra por condução. O ar aquecido se 
expande, ficando menos denso que o ar mais frio a 
sua volta. O ar aquecido é levantado e ascende. 
Desta maneira, grandes bolhas de ar ascendem e 
transferem energia para longe da superfície. O ar 
frio, mais pesado, flui em direção a superfície para 
repor o ar ascendente. Este ar frio se torna quente, 
então ascende e o ciclo se repete. Em meteorologia, 
esta troca vertical de calor é chamada convecção, e 
as bolhas de ar ascendente são conhecidas como 
térmicas (fig. 2.4). 
 O ar ascendente se expande, resfria-se e 
gradualmente se espalha horizontalmente, e 
lentamente começa a descer. Perto da superfície, 
ele volta para a região quente, repondo o ar 
ascendente. Desta forma, uma circulação 
convectiva, ou uma "célula" térmica é produzida na 
atmosfera. 
 Embora todo o processo de ascensão do ar 
quente, espalhamento horizontal, descida e volta em 
direção ao seu local de origem seja conhecido como 
circulação convectiva, os meteorologistas 
usualmente restringem o termo convecção para o 
processo de ascensão e da descida da circulação. 
 O movimento horizontal da circulação 
(chamado vento) carrega propriedades do ar da sua 
área particular de origem com ele. A transferência 
dessas propriedades por movimento horizontal do ar 
é chamada advecção. Por exemplo, o vento 
soprando por sobre um corpo d'água, carregará 
consigo vapor d'água da superfície de evaporação, 
levando-o para outras partes da atmosfera. Se o ar 
se resfria, o vapor d'água talvez se condense em 
gotas de nuvem e libere calor latente. Neste sentido, 
o calor é advectado (carregado) pelo vapor d’água 
para longe com o vento. Hoje, vemos que este é um 
importante processo de redistribuição da energia 
térmica na atmosfera. 
 Na circulação convectiva, você pode ter 
notado que assim como o ar quente da superfície 
estava ascendendo, ele também estava resfriando-
se. Na nossa atmosfera, qualquer parcela de ar que 
ascender, irá expandir-se e resfriar-se, e qualquer ar 
que descender, será comprimido e será aquecido. 
Este importante conceito é detalhado na sessão 
Focus na página 31. 
 
Radiação - Num dia de verão você deve ter 
notado o quão quente sua face fica se você expô-la 
ao sol. Os raios solares viajam pelo ar a sua volta, 
sem produzir muitos efeitos no mesmo. Sua face, no 
entanto, absorve essa energia e a converte em 
energia térmica. Entretanto, os raios solares 
aquecem sua face, sem efetivamente aquecer o ar. 
A energia transferida do sol para a sua face é 
chamada energia radiante ou radiação. Elas viajam 
na forma de ondas que liberam energia quando são 
absorvidas por um objeto. Por possuírem 
propriedades magnéticas e elétricas, nós a 
chamamos de ondas eletromagnéticas. As ondas 
eletromagnéticas não precisam de moléculas para 
se propagarem. No vácuo, elas viajam a uma 
velocidade constante de 300.000 km por segundo - 
à velocidade da luz. 
 A fig. 2.5 nos mostra alguns dos diferentes 
comprimentos de onda da radiação. Note que 
comprimento de onda é a distância medida ao longo 
da onda, de uma crista a outra. Note também que 
algumas ondas tem um comprimento extremamente 
pequeno. Por exemplo, a radiação que podemos ver 
(luz visível) tem um comprimento de onda na ordem 
de um milionésimo de metro - a distância 
aproximadamente de um centésimo do diâmetro do 
fio de cabelo humano. Para medir esses 
comprimentos pequenos, introduzimos uma nova 
unidade de medida, chamada micrômetro 
(abreviação µm); que é igual a um milionésimo do 
metro (m). 
 
1 micrômetro = 0,000001 m = 10-6 m 
 
 Na fig. 2.5, podemos ver que o comprimento 
de onda médio da luz visível é por volta de 
0,0000005 metros, o que é o mesmo que 0,5 
micrômetros. Para te dar um objeto mais comum de 
comparação, a altura média de uma letra desta 
página é da ordem de 2000 micrômetros, ou 2 
milímetros. 
 Podemos ver também na fig. 2.5, que as ondas 
longas carregam menos energia do que as curtas. 
Quando comparamos a energia carregada por várias 
ondas, é útil dar as características eletromagnéticas da 
radiação das partículas a fim de explicar algumas das 
características do comportamento das ondas. Podemos 
efetivamente pensar em radiação como sendo correntes 
de partículas ou fótons que são pacotes discretos de 
energia. 
 Um fóton ultravioleta carrega mais energia 
do que um fóton infravermelho. De fato, certos fótons 
ultravioletas tem energia suficiente para produzir 
queimaduras solares e penetrar nos tecidos da pele, 
ás vezes causando câncer. Como vimos no Cap. 1, 
é o ozônio na estratosfera que nosprotege da 
maioria desses raios nocivos. 
 Para melhor compreender o conceito de 
radiação, aqui estão alguns conceitos e fatos 
importantes para lembrar: 
 
1. Todas os objetos (cuja temperatura esteja acima 
do zero absoluto), não importa quão grande ou 
pequeno ele seja, emite radiação. O ar, seu corpo, 
as flores, as árvores, a Terra, as estrelas, estão 
todos emitindo um amplo espectro de ondas 
eletromagnéticas. A energia tem origem na rápida 
vibração dos elétrons, bilhões dos quais existem em 
cada objeto. 
2. Os comprimentos de onda de radiação que cada 
objeto emite, depende primeiramente da temperatura 
do objeto. Quanto maior a temperatura do objeto, 
menores são os comprimentos de onda da radiação 
emitida. Pelo mesmo princípio, assim que a 
temperatura de um objeto aumenta, seu pico de 
emissão de radiação tende em direção as ondas 
curtas. 
3. Objetos com temperaturas altas emitem radiação 
numa razão maior do que objetos com baixas 
temperaturas. Desta forma, assim que a temperatura 
de um objeto aumenta, mais radiação total (numa 
superfície dada) é emitida por segundo. 
 Objetos com uma temperatura alta (por volta 
de 500ºC) irradiam ondas com vários comprimentos, 
mas alguns deles são pequenos o suficiente para 
estimular a sensação de calor. Geralmente vemos 
esses objetos brilharem em vermelho. Objetos mais 
frios que isto, irradiam comprimentos muito longos 
para que possamos ver. A página deste livro, por 
exemplo, está irradiando ondas eletromagnéticas. 
Mas porque sua temperatura está apenas por volta 
de 20ºC (68ºF), as ondas emitidas são muito longas 
para estimular a visão. Somos capazes de ver a 
página do livro, todavia, por causa de ondas de luz 
de outras fontes (como lâmpadas ou o sol) que estão 
sendo refletidas pelo papel. Se levássemos este 
livro para um quarto completamente escuro, ele 
continuaria a irradiar, mas as páginas apareceriam 
negras porque não existiria ondas de luz visível no 
quarto para serem refletidas na página. 
 O sol emite radiação em aproximadamente 
todos os comprimentos de onda, mas, porque sua 
superfície é quente - 6000K - ele irradia a maioria da 
sua energia em comprimentos de onda 
relativamente pequenos. Se formos observar a 
quantidade de radiação emitida pelo sol em cada 
comprimento de onda, obteremos o espectro 
eletromagnético do sol. Uma parte desse espectro 
está mostrada na Fig. 2.6. 
 Note que a maior quantidade de radiação 
emitida pelo sol está na faixa do comprimento de 
onda de 0,5 micrômetros. Já que nossos olhos são 
sensíveis a radiação entre 0,4 e 0,7 micrômetros, 
essas ondas alcançam nossos olhos estimulando a 
sensação de cor. Essa porção do espectro é, por 
isso, referida como região visível, e a luz que 
alcança nossos olhos é chamada luz visível. A cor 
violeta é o menor comprimento de onda da luz 
visível. Comprimentos de onda menor do que o 
violeta (0,4 micrômetros) são correspondentes à 
radiação ultravioleta (UV). Os maiores 
comprimentos de onda da luz visível correspondem 
à luz vermelha. Comprimentos maiores do que o 
vermelho (0,7 micrômetros) são conhecidos como 
sendo da radiação infravermelha (IR). 
 Enquanto que o sol quente emite apenas uma 
parte da sua energia na porção infravermelha do 
espectro, a Terra, relativamente fria, emite quase toda a 
sua energia no comprimento de onda do infravermelho. 
De fato, a Terra, com uma temperatura média por volta 
de 288k (15º C, ou 59º F), irradia aproximadamente 
toda a sua energia entre 5 e 25 micrômetros, com um 
pico de máxima intensidade na região do 
infravermelho perto de 10 micrômetros. (Veja fig. 2.7). 
Uma vez que o sol irradia a maioria de sua energia em 
comprimentos de onda muito menores do que a Terra, 
a radiação solar é também chamada radiação de ondas 
curtas, enquanto que a radiação da Terra é denominada 
como radiação de ondas longas. 
 
Balanço Térmico - Absorção, 
Emissão e Equilíbrio 
 
Se a Terra e todas as coisas nela estão 
continuamente irradiando energia, porque então tudo 
não se resfria progressivamente? A resposta é que 
todos os objetos não só irradiam energia, mas 
também absorvem do mesmo modo. Se um objeto 
irradia mais energia do que absorve, ele se resfria, 
se este objeto absorve mais energia do que emite, 
ele se aquece. Num dia de sol, a superfície da Terra 
se aquece absorvendo mais energia do sol e da 
atmosfera do que reirradia, enquanto que, durante a 
noite, o solo se resfria irradiando mais energia do 
que absorve do ambiente. Quando um objeto emite e 
absorve energia em razões iguais, sua temperatura 
permanece constante. 
 A proporção na qual um objeto irradia e 
absorve energia depende fortemente das 
características da sua superfície, como cor, textura e 
umidade, assim como da temperatura. Por exemplo, 
um objeto preto, exposto a luz solar direta, é um bom 
absorvedor de radiação. Ele converte energia do sol 
em energia interna e, consequentemente, sua 
temperatura aumenta. Basta apenas que você ande 
descalço numa estrada com asfalto preto, numa 
tarde de verão, para comprovar isto. Durante a noite, 
a cobertura preta da estrada se resfriará 
rapidamente, emitindo energia no infravermelho e, 
pela manhã, ela deverá estar mais fria do que as 
superfícies em redor. 
 Todos os objetos que são perfeitos 
absorvedores (ou seja, absorvem toda a radiação 
que incida sobre eles) e emissores perfeitos (emitem 
a máxima radiação possível numa dada 
temperatura) são chamados corpos negros. Os 
corpos negros não precisam necessariamente estar 
tingidos de preto, eles simplesmente precisam 
absorver e emitir toda radiação possível. Uma vez 
que a superfície da Terra e o Sol absorvem e 
irradiam com aproximadamente 100% de eficiência 
para suas respectivas temperaturas, ambos se 
comportam como corpos negros. 
 Quando olhamos a Terra do espaço, vemos 
que metade dela está na luz, e a outra metade na 
escuridão. A energia emanada do Sol, 
constantemente banha a Terra com radiação, 
enquanto que a Terra, por sua vez, emite 
constantemente radiação infravermelha. Se nós 
assumirmos que não há nenhum outro método de 
transferência de calor, então, quando a razão de 
absorção de radiação solar, se igualar a razão de 
emissão de radiação infravermelha do solo, um 
estado de equilíbrio radioativo é alcançado. A 
temperatura na qual isto ocorre é denominada 
temperatura de equilíbrio radioativo. Nesta 
temperatura, a Terra (comportando-se como um 
corpo negro) está absorvendo radiação solar e 
emitindo radiação infravermelha em razões iguais, e 
sua temperatura média não muda. Como a Terra 
está por volta de 150 milhões de km distante do sol, 
a temperatura de equilíbrio radioativo da Terra é por 
volta de 255K (-18º C).Mas esta temperatura é muito 
menor do que a temperatura média observada da 
superfície, que é de 288K (15ºC). Por que há então 
tal diferença? 
 A resposta está no fato de que a atmosfera 
da Terra absorve e emite radiação infravermelha. 
Diferente da Terra, a atmosfera não se comporta 
como um corpo negro, pois absorve alguns 
comprimentos de onda de radiação e é transparente 
a outros. Objetos que absorvem e emitem 
seletivamente radiação como os gases na nossa 
atmosfera, são conhecidos como absorvedores 
seletivos. 
 
Absorvedores Seletivos e o Efeito Estufa 
Atmosférico - Existem vários absorvedores 
seletivos no nosso meio ambiente. A neve, por 
exemplo, é um bom absorvedor de radiação 
infravermelha, mas um pobre absorvedor de luz 
solar. Objetos que absorvem energia seletivamente, 
normalmente emitem radiação seletivamente no 
mesmo comprimento de onda. A neve é, portanto, 
um bom emissor de energia no infravermelho. A 
noite, a superfície da neve emite muito mais energia 
do que ela absorve do ambiente. Essa grande perda 
de radiação infravermelha (somada às qualidades 
isolantes da neve) fazem com que oar, acima de 
uma superfície de neve numa noite clara de inverno 
se torne extremamente frio. 
 A fig. 2.8 nos mostra alguns dos mais 
importantes gases seletores na nossa atmosfera. 
Note que ambos o vapor d' água (H2O) e o dióxido 
de carbono (CO2) são fortes absorvedores de 
radiação infravermelha e pobres absorvedores da 
radiação visível do sol. Outros absorvedores 
seletivos menos importantes incluem óxido nitroso 
(N2O), metano (CH4), e ozônio (O3), que é mais 
abundante na estratosfera. (Veja Cap. 1). Como 
estes gases absorvem radiação infravermelha 
emitida pela superfície da Terra, eles adquirem 
energia cinética (energia do movimento). As 
moléculas de gás partilham essa energia colidindo 
com moléculas de ar vizinhas, como oxigênio e 
nitrogênio (ambos são pobres absorvedores de 
energia infravermelha). Essas colisões aumentam a 
energia cinética média do ar, o que resulta num 
aumento de temperatura. Desta forma, uma parte da 
energia infravermelha emitida pela superfície da 
Terra aquece a baixa atmosfera. 
 O vapor d'água e o CO2, além de serem 
absorvedores seletivos, eles também emitem 
radiação seletivamente nos comprimentos do 
infravermelho. Esta radiação parte desses gases em 
todas as direções. Uma porção dessa energia é 
irradiada em direção a superfície da Terra e é 
absorvida, aquecendo o solo. A Terra, por sua vez, 
reirradia energia infravermelha para cima, onde ela é 
absorvida e por sua vez, aquece a baixa atmosfera. 
Desta maneira, o vapor d'água e o CO2 absorvem e 
reirradiam energia infravermelha e agem como uma 
camada isolante em torno da Terra, impedindo que 
parte da radiação infravermelha da Terra escape 
rapidamente para o espaço. Consequentemente, a 
superfície da Terra e a baixa atmosfera são muito 
mais quentes do que deveriam ser se esses gases 
absorvedores seletivos não estivessem presentes. 
De fato, como já vimos, a temperatura média de 
equilíbrio radioativo sem o CO2 e o vapor d'água 
seria por volta de -18º C (0º F), ou por volta de 33º C 
(59º F) abaixo do que o presente. 
 As características de absorção do vapor 
d'água, CO2 e outros gases como metano e óxido 
nitroso (veja fig. 2.8), são, até certo ponto, 
semelhantes às do vidro de uma estufa para flores. 
Numa estufa, o vidro permite a entrada de radiação 
visível, mas inibe até certo ponto a saída da radiação 
infravermelha. Por esta razão, o comportamento do 
vapor d'água e do CO2 na atmosfera é popularmente 
chamado efeito estufa. Todavia, estudos tem 
mostrado que o ar quente dentro de uma estufa, é 
provavelmente causado mais pela inabilidade do ar 
de circular e se misturar com o ar exterior mais frio, 
do que o cerco radioativo. Por causa desses 
achados, alguns cientistas insistem que o efeito 
estufa deva ser chamado de efeito atmosférico. Para 
acomodar a todos, usaremos o termo efeito estufa 
atmosférico ao descrever o papel que o vapor d'água 
e o CO2 desempenham na manutenção da 
temperatura média da Terra superior ao que ela 
deveria ser. 
 Olhe novamente a figura 2.8 e observe que, 
no diagrama inferior, existe uma região 
aproximadamente entre 8 e 11 micrômetros onde 
nem o vapor d'água nem o CO2 absorvem 
habilmente a radiação infravermelha. Como esses 
comprimentos de onda da energia emitida passam 
subindo diretamente pela atmosfera em direção ao 
espaço, o espectro do comprimento de onda (entre 8 
e 11 micrômetros) é conhecido como janela 
atmosférica. A noite, nuvens podem elevar o efeito 
estufa atmosférico. As minúsculas gotículas líquidas 
de nuvens são absorvedores seletivos, já que são 
boas absorvedoras de radiação infravermelha, mas 
pobres absorvedores da radiação solar visível. As 
nuvens igualmente absorvem os comprimentos de 
onda entre 8 e 11 micrômetros, os quais por outro 
lado, "passam" pelo vapor d'água e CO2. Assim, elas 
tem o efeito de aumentar o efeito estufa atmosférico 
fechando a janela atmosférica. 
 As nuvens são também excelentes 
emissores de radiação infravermelha. Seu topo 
irradia energia infravermelha para cima e suas bases 
irradiam energia de volta para a superfície da Terra 
onde ela é reabsorvida e, num ciclo, reirradiada de 
volta para as nuvens. Este processo mantém noites 
calmas com céu encoberto mais quentes do que 
noites calmas com céu limpo. Se as nuvens 
continuarem até o próximo dia, elas evitam que 
grande parte da luz do sol atinja o solo, refletindo-a 
de volta para o espaço. Desde que o solo não se 
aquecerá tanto quanto se estivesse exposto a luz 
direta do sol, dias calmos, com céu encoberto, são 
normalmente mais frios do que dias calmos, com céu 
limpo. Portanto, a presença de nuvens tende a 
manter altas temperaturas a noite e baixas 
temperaturas durante o dia. 
 Resumindo, o efeito estufa atmosférico 
ocorre porque o vapor d’água, o CO2 e outros gases 
traços são absorvedores seletivos. Eles permitem 
que grande parte da radiação do sol alcance a 
superfície, mas eles absorvem uma boa porção da 
radiação infravermelha da Terra, evitando que ela 
escape para o espaço (veja Fig. 2.9). 
 
Intensificação do Efeito Estufa - Apesar das 
inexatidões que perseguem as medidas de 
temperatura, vários estudos sugerem que nos 
últimos 100 anos, a superfície da Terra vem 
sofrendo um leve aquecimento por volta de 0,6ºC. 
Modelos computacionais conhecidos como General 
Circulation Models (GCMs - Modelos de Circulação 
Geral), predizem que se semelhante aquecimento 
continuar irredutível, nós estamos irrevogavelmente 
entregues a algum tipo de mudança climática, 
notavelmente nos padrões mundiais de ventos que 
determinam a produção de tempestades ao longo do 
globo. 
 Alguns cientistas acreditam que a principal 
causa do aquecimento é o gás do efeito estufa CO2, 
cuja concentração vem aumentando principalmente 
pela queima de combustíveis fósseis e 
desflorestamento. Todavia, nos últimos anos, o 
aumento da concentração de outros gases do efeito 
estufa, como o metano (CH4), óxido nitroso (N2O), e 
clorofluorcarbonos (CFCs), tem mostrado que, em 
conjunto, tem um efeito igual ao CO2. Observe a Fig. 
2.8 e note que tanto CH4 quanto o N2O absorvem 
fortemente nos comprimentos de onda do 
infravermelho. Além disso, um CFC particular (CFC-
12) absorve na região da janela atmosférica entre 8 
e 11 micrômetros. Assim, nos termos de impacto na 
absorção de radiação infravermelha, a adição de 
uma simples molécula de CFC-12 na atmosfera é 
equivalente a adição de 10.000 moléculas de CO2. 
 Hoje, a concentração de CO2 num volume de 
ar perto da superfície é por volta de 0,035 por cento. 
Alguns modelos computacionais predizem que ao se 
dobrar esta quantidade, causaremos um aumento 
entre 2º e 5º na temperatura média da superfície da 
Terra. Como se poderá, dobrando apenas uma 
pequena quantidade de CO2 e adicionando 
minúsculas quantidades de outros gases estufa, 
chegarmos a um aumento tão grande na 
temperatura? 
 Modelos matemáticos climáticos prevêem 
que aumentando a temperatura dos oceanos, o 
resultado será um incremento nas taxas de 
evaporação. A adição de vapor d’água - o principal 
gás do efeito estufa - irá elevar o efeito estufa 
atmosférico e dobrar o aumento da temperatura, no 
que é conhecido como feedback positivo. Mas há 
outros feedbacks a serem considerados3. 
Os dois maiores e menos entendidos 
feedbacks potenciais no sistema climático são as 
nuvens e os oceanos. As nuvens podem mudar a 
área, a profundidade e as propriedades radiativas 
simultaneamente com as mudanças climáticas. O 
efeito líquido de todas essas mudanças não está 
muito bem entendido. Os oceanos, por outro lado, 
cobrem 70% de todo o planeta. A resposta das 
circulações oceânicas, das temperaturas oceânicas 
e do gelo marítimo ao aquecimento global vão 
determinar o padrão global e a velocidade das 
mudanças climáticas. Infelizmente, não é sabido 
quão rápido ou em qualdireção cada um desses irá 
responder. 
 Dados de satélite do Earth Radiation Budget 
Experiment (ERBE - Experimento de Balanço de 
Radiação da Terra) sugerem que as nuvens 
mostram-se como resfriadoras do clima na Terra, 
pois refletem e irradiam para fora mais energia do 
que guardam (a Terra seria mais quente se as 
nuvens não estivessem presentes). Então, um 
aumento na quantidade global de nuvens (se isto 
estivesse para ocorrer) poderia amenizar um pouco 
do aquecimento promovido pela intensificação do 
efeito estufa atmosférico. Portanto, se as nuvens 
atuarem no sistema climático dessa maneira, elas 
proveriam um feedback negativo nas mudanças 
climáticas. 
 Incertezas indiscutíveis existem sobre o impacto 
que o incremento nas quantidades de CO2 e outros 
gases traços terão na intensificação do efeito estufa 
atmosférico. Muitos (mas não todos) estudos 
científicos sugerem que um acréscimo na concentração 
desses gases na nossa atmosfera conduzirá a uma 
mudança climática em escala global durante o próximo 
século. Tal mudança poderá afetar os recursos hídricos 
e a produção agrícola (examinaremos este tópico mais 
adiante no capítulo 13, quando estudarmos mudanças 
climáticas com mais detalhes). 
 
Aquecendo o Ar de Baixo para Cima - 
Num dia limpo, a energia solar passa através da 
baixa atmosfera com pouco efeito sobre o ar. Atinge 
então a superfície aquecendo-a (Fig. 2.10). As 
moléculas de ar em contado com a superfície 
aquecida oscilam se chocando contra ela, ganham 
energia por condução e em seguida se atiram para 
cima como pipocas que acabam de estourar, 
carregando sua energia com elas. Por ser o ar perto 
da superfície muito denso, essas moléculas viajam 
apenas uma pequena distância antes de se 
chocarem com outras moléculas. Durante a colisão, 
essas moléculas se movendo mais rapidamente 
partilham sua energia com moléculas menos 
energizadas, elevando a temperatura média do ar. 
Mas o ar é um fraco condutor de calor de tal modo 
que esse processo é importante apenas dentro de 
 
3 Feedback é um processo no qual uma mudança inicial no 
processo tende ou a reforçar o processo (feedback 
positivo) ou a enfraquecer este processo (feedback 
negativo). 
alguns centímetros perto do solo. 
 Na medida em que o ar da superfície 
esquenta, ele se torna efetivamente menos denso do 
que o ar diretamente acima dele. O ar mais quente 
ascende e o ar mais frio desce, formando as 
térmicas, ou células de convecção livre que 
transferem calor para cima e o distribuem numa 
camada mais profunda de ar. O ar ascendente se 
expande e resfria e, se suficientemente úmido, o 
vapor d’água condensa em gotas de nuvem, 
liberando calor latente que esquenta o ar. Enquanto 
isso, o solo constantemente emite energia 
infravermelha, a qual está sendo absorvida e 
reemitida pelos gases estufa como vapor d’água e 
CO2. Como a concentração de vapor d’água 
decresce rapidamente na medida em que nos 
afastamos do solo, a maior parte da absorção ocorre 
numa camada perto da superfície. Portanto, a baixa 
atmosfera é aquecida principalmente de baixo para 
cima. 
 
A Energia Solar que Chega 
 
Quando a energia radiante do sol viaja pelo 
espaço, essencialmente nada interfere com ela até 
que ela atinge a atmosfera. No topo da atmosfera, a 
energia solar recebida numa superfície perpendicular 
aos raios solares, apresenta-se razoavelmente 
constante e é aproximadamente duas calorias por 
centímetro quadrado a cada minuto - um valor 
chamado constante solar4. 
 Ao entrar na atmosfera, ocorre um número 
de interações entre a atmosfera e a radiação solar. 
Por exemplo, parte da energia é absorvida por 
gases, tal como o ozônio, na alta atmosfera. Além 
disso, quando a luz do sol bate em partículas muito 
pequenas como moléculas de ar e partículas de 
poeira, a luz é defletida em todas as direções - para 
frente, para os lados e para trás. A distribuição da 
luz desta maneira é chamada espalhamento. (Luz 
espalhada é também chamada luz difusa). Sendo as 
moléculas de ar muito menores do que os 
comprimentos de onda da luz visível, elas são mais 
eficazes no espalhamento dos comprimentos de 
onda curta (azul) do que dos comprimentos de onda 
longa (vermelho). Daí, quando olhamos distante do 
raio de luz direta do sol, a luz azul atinge nossos 
olhos de todas as direções, tornando o céu azul 
durante do dia. Ao meio-dia, todos os comprimentos 
de onda da luz visível atingem nossos olhos e o sol é 
percebido como branco. No nascente e no poente, 
quando o raio de luz branco do sol precisa passar 
por uma espessa camada da atmosfera, o 
espalhamento pelas moléculas de ar removem a luz 
azul, deixando os comprimentos de onda longa do 
vermelho, laranja, e amarelo passarem, criando a 
imagem de um sol vermelho ou amarelado (Fig. 
2.11). 
 
4 A constante solar não é realmente “constante”. Medidas 
recentes feitas por satélite sugerem que a constante solar 
varia vagarosamente na medida em que varia a energia 
radiante emitida pelo sol. 
 A luz do sol pode ser refletida pelas nuvens 
e pela superfície da Terra. Albedo é a porcentagem 
da radiação refletida por uma superfície comparada 
com aquela que a atinge. O albedo, representa 
então, a refletividade da superfície. Note na Tabela 
2.2 que nuvens mais espessas tem um albedo maior 
que nuvens finas. Na média, o albedo das nuvens é 
perto de 60 por cento. Quando a energia solar atinge 
uma superfície coberta com neve, mais de 95 por 
cento da luz solar pode ser refletida. No entanto, 
note na Tabela 2.2 que uma superfície de água 
reflete apenas uma pequena quantidade da luz solar, 
por volta de 10 por cento para um dia inteiro. Uma 
vez que a superfície da Terra é aproximadamente 
três quartos de água e os continentes são salpicados 
com árvores e vegetação, o albedo da superfície 
relativamente escura da Terra é cerca de 4 por 
cento. Consequentemente, podemos ver na Fig. 2.12 
que em uma média calculada para um ano inteiro, a 
Terra e sua atmosfera redirecionam de volta para o 
espaço aproximadamente 30 por cento da radiação 
que chega do sol, o que dá a Terra e sua Atmosfera 
um albedo combinado de 30 por cento. 
 
O Balanço Anual de Energia da Terra - 
Embora a temperatura média em uma localidade 
possa variar consideravelmente de ano para ano, a 
temperatura média global de equilíbrio da Terra 
muda apenas suavemente de um ano para outro. 
Este fato indica que, a cada ano, a Terra e sua 
atmosfera combinadas devem enviar de volta para o 
espaço exatamente a mesma quantidade de energia 
que elas recebem do sol. O mesmo tipo de balanço 
energético deve existir entre a superfície da Terra e 
a atmosfera. Ou seja, a cada ano, a superfície da 
Terra deve devolver a atmosfera a mesma 
quantidade de energia que ela absorve. Se isto não 
ocorrer, a temperatura média da superfície da Terra 
mudará. Como a Terra e a atmosfera mantêm esse 
balanço energético anual? 
 Suponha que 100 unidades de energia solar 
atinjam o topo da atmosfera terrestre. Nós já 
sabemos pela Fig. 2.12 que em média as nuvens, a 
Terra e a atmosfera refletem 30 unidades de volta 
para o espaço e que a atmosfera e as nuvens juntas 
absorvem 19 unidades, o que deixa 51 unidades de 
radiação direta e indireta (difusa) para serem 
absorvidas na superfície da Terra. 
 A figura 2.13 mostra aproximadamente o que 
acontece com a radiação solar que é absorvida pela 
superfície e pela atmosfera. Das 51 unidades 
alcançando a superfície, uma grande quantidade (23 
unidades) é usada para evaporar água e 
aproximadamente 7 unidades são perdidas por 
condução e convecção, o que deixa 21 unidades 
para serem irradiadas para fora como energia 
infravermelha. Observe atentamente a Fig. 2.13 e 
note que a superfície daTerra irradia realmente mais 
do que 117 unidades. Isso ocorre porque, embora 
ela receba radiação solar apenas durante o dia, ela 
constantemente emite energia infravermelha durante 
o dia e a noite. E além disso, a atmosfera em cima 
permite que apenas uma pequena fração dessa 
energia (6 unidades) passe para o espaço. A maior 
parte (111 unidades) é reabsorvida principalmente 
pelos gases de efeito estufa vapor d’água e CO2, e 
pelas nuvens. Muita dessa energia (96 unidades) é 
então reirradiada de volta para a Terra, produzindo o 
efeito estufa atmosférico. Em todas essas trocas, 
note que a energia perdida na superfície da Terra 
(147 unidades) é exatamente balanceada pela 
energia ganha lá (147 unidades). 
 Um balanço similar existe entre a superfície 
da Terra e sua atmosfera. De novo na Fig. 2.13 
observe que a energia ganha pela atmosfera (160 
unidades) equilibra a energia perdida. Além disso, 
numa média calculada para o ano inteiro, a energia 
solar recebida na superfície da Terra (51 unidades) e 
aquela absorvida pela atmosfera terrestre (19 
unidades), equilibram a energia infravermelha 
perdida para o espaço pela superfície terrestre (6 
unidades) e sua atmosfera (64 unidades). 
 E mais, a Terra e a atmosfera absorvem 
energia do sol, assim como de uma para outra. Em 
todas as trocas energéticas, um delicado balanço é 
mantido. Essencialmente, não existe ganho ou perda 
anual no total de energia e a temperatura média da 
Terra e da atmosfera permanecem razoavelmente 
constantes de um ano para o próximo. Este 
equilíbrio não implica que a temperatura média da 
Terra não mude, mas que as mudanças são 
pequenas de um ano para outro (normalmente 
menos de um décimo de grau Celsius) e se torna 
significante apenas quando medida por vários anos. 
 Antes de volvermos nossa atenção para como a 
energia solar que entra produz as estações do ano, 
precisamos examinar como a energia solar, na forma 
de partículas, produz um deslumbrante show luminoso 
conhecido como aurora. 
 
Energia Solar e a Aurora - Partindo do sol e 
de sua tênue atmosfera vêm uma descarga contínua 
de partículas. Esta descarga ocorre porque, a 
temperaturas extremamente altas, os gases se 
tornam saqueadores de elétrons por violentas 
colisões e adquirem velocidade suficiente para 
escapar ao arrasto gravitacional do sol. Como essas 
partículas carregadas (íons e elétrons) viajam 
através do espaço, elas são conhecidas como vento 
solar. Quando os ventos solares se movem perto o 
suficiente da Terra, ele interage com o campo 
magnético da Terra, perturbando-o. Este distúrbio 
motiva as partículas energéticas do vento solar a 
entrar na alta atmosfera, onde elas colidem com os 
gases atmosféricos. Esses gases se tornam 
estimulados e emitem radiação visível (luz), o que 
faz o céu brilhar como luz néon, produzindo então a 
aurora (Fig., 2.14). 
 A aparência efetiva da aurora pode variar. 
Algumas vezes ela mostra-se como uma fraca 
luminosidade branca ou vermelha, durando desde 
alguns minutos até algumas horas. A luz pode mover-
se cruzando o céu como um arco verde-amarelo muito 
mais amplo do que um arco-íris; ou ela pode decorar o 
céu com chamas vacilantes de azul, verde e luz púrpura 
que constantemente variam em forma e colocação, 
como se espalhadas por uma brisa leve. 
 No Hemisfério Norte, a aurora é chamada 
aurora boreal, ou luzes do norte, sua correspondente 
no Hemisfério Sul á a aurora austral, ou luzes do sul. 
 A aurora é mais freqüentemente vista nas 
regiões polares, onde as linhas do campo magnético 
terrestre emergem da Terra. Mas durante os 
períodos de atividade solar quando ocorrem 
numerosas manchas solares e chamas gigantescas 
(erupções solares), grandes quantidades de 
partículas viajam para fora do sol em altas 
velocidades (centenas de milhas por segundo). 
Essas partículas energéticas são capazes de 
penetrar profundamente no campo magnético da 
Terra, onde elas fornecem energia suficiente para 
produzir os espetáculos da aurora. Durante essas 
condições no Norte da América, vemos a aurora 
mais ao sul do que o usual. 
 
Porque a Terra tem Estações - A Terra gira 
completamente em torno do sol num caminho 
elíptico ao longo de 365 dias (um ano). Assim como 
a Terra gira em torno do Sol, ela também gira em 
torno do seu próprio eixo em 24 horas (um dia) . A 
distância média da Terra para o Sol é 150 milhões 
de km. Por causa da órbita da Terra ser uma elipse 
ao invés de um círculo, a distância efetiva da Terra 
para o Sol varia ao longo do ano. A Terra se torna 
mais próxima do Sol em Janeiro (147 milhões de km) 
ao contrário do que ela faz em Julho (152 milhões de 
km). (Veja Fig. 2.15). A partir disso podemos concluir 
que nosso tempo mais quente deve ocorrer em 
Janeiro e nosso tempo mais frio em Julho. Mas, no 
Hemisfério Norte, nós normalmente experimentamos 
tempo frio em Janeiro quando estamos mais perto 
do sol e tempo quente em Julho quando estamos 
mais distante. Se a proximidade do sol fosse a causa 
primária das estações, então, de fato, Janeiro seria 
mais quente do que Julho. No entanto, proximidade 
do sol é apenas uma pequena parte da história. 
 Nossas estações são reguladas pela 
quantidade de energia solar recebida na superfície 
da Terra. Essa quantia é determinada primeiramente 
pelo ângulo na qual a luz solar atinge a superfície, e 
por quanto tempo o sol brilha numa latitude qualquer 
(horas de luz no dia). Vamos olhar de mais perto 
para esses fatores. 
 A energia solar que atinge 
perpendicularmente (diretamente) é muito mais 
intensa do que a energia solar que atinge a mesma 
superfície num ângulo. Imagine o brilho de uma 
lanterna incidindo diretamente numa parede - você 
terá uma pequena mancha circular de luz (Fig. 2.16). 
Agora, incline a lanterna e note como a mancha de 
luz se espalha por uma área maior. O mesmo 
princípio vale para a luz do sol. A luz do sol atingindo 
a Terra num ângulo se espalha e deve aquecer uma 
região maior do que a luz do sol chegando 
diretamente na Terra. Com todas as outras coisas 
sendo iguais, uma área experimentando mais 
diretamente os raios solares irá receber mais 
aquecimento do que a mesma área em tamanho 
sendo atingida pela luz do sol num ângulo. Ainda 
mais, quanto mais os raios solares estiverem 
afastados da perpendicularidade, mais atmosfera 
eles precisam penetrar. E quanto mais atmosfera 
eles penetrarem, mais eles podem ser espalhados e 
absorvidos (atenuados). Como conseqüência, 
quando o sol está alto no céu, ele pode aquecer o 
solo a uma temperatura muito maior do que quando 
ele está baixo no horizonte. 
 O segundo fator importante determinando 
quão quente a superfície terrestre se torna é a 
quantidade de tempo que o sol brilha a cada dia. 
Longas horas de luz solar, com certeza, significa que 
mais energia da luz solar está disponível. Numa 
dada localidade, mais energia solar alcança a 
superfície terrestre num dia claro e longo do que 
num dia que está claro mas é muito curto. 
Consequentemente, ocorre um maior aquecimento 
da superfície. 
 A partir de uma observação casual, sabemos 
que os dias de verão possuem mais horas de luz do 
sol do que dias de inverno. Além disso, o sol de 
meio-dia no verão está mais alto do que o sol de 
meio-dia do inverno. Ambos os eventos ocorrem 
porque nosso planeta gira inclinado no seu eixo 
enquanto giramos em torno do sol. Como a fig. 2.17 
ilustra, o ângulo de inclinação é 23½º da linha 
perpendicular ao plano de órbita da Terra. O eixo da 
Terra aponta na mesma direção no espaço ao longo 
de todo ano; então, o Hemisfério Norte está voltado 
para o sol no verão (julho), e distante do sol no 
inverno (dezembro). 
 
Estações do Ano no Hemisfério Norte - 
Note na Fig. 2.17 que em 22 de Junho, a parte norte 
do globo está voltada em direção ao sol. Ao meio-dia 
deste dia, os raiossolares batem sobre o Hemisfério 
Norte mais diretamente do que durante qualquer 
outra época do ano. O sol está na sua mais alta 
posição no céu ao meio-dia, diretamente sobre 
23½ºN de latitude (Trópico de Câncer). Se você 
estivesse de pé nesta localidade em 22 de Junho, o 
sol ao meio-dia estaria diretamente sobre sua 
cabeça. Este dia, chamado solstício de verão, é o 
primeiro dia do verão astronômico no Hemisfério 
Norte5. 
 Estude atentamente a Fig. 2.17 e note que, 
como a Terra gira em torno de seu próprio eixo, o 
lado coberto pelo sol está no brilho solar e o outro 
lado na escuridão. Assim, metade do globo está 
sempre iluminado. Se o eixo da Terra não fosse 
inclinado, o sol de meio-dia estaria sempre 
diretamente em cima do equador, e teríamos 12 
horas de luz do dia e 12 horas de escuridão a cada 
latitude todos os dias do ano. No entanto, a Terra 
está inclinada. Já que o Hemisfério Norte está 
diretamente voltado em direção ao sol em 22 de 
Junho, cada latitude no Hemisfério Norte terá mais 
 
5 Vamos ver mais adiante que as estações ocorrem ao 
contrário no Hemisfério Sul. Portanto, no Hemisfério Sul 
este mesmo dia é o solstício de inverno, ou o primeiro dia 
do inverno astronômico. 
de 12 horas de luz do dia. Quanto mais ao norte nós 
formos, mais longas são as horas de luz solar. 
Quando atingirmos o Círculo Ártico (66 ½º N), a luz 
do dia dura por 24 horas, pois o sol não se põe. Note 
na Fig. 2.17 como a região acima de 66 ½º nunca 
entra na zona “escura” enquanto a Terra gira. No 
Pólo Norte, o sol efetivamente ascende sobre o 
horizonte em 21 de Março e tem seis meses até que 
desça em 23 de Setembro. Não é de se admirar que 
esta região é conhecida como “Terra do Sol da Meia 
- Noite” (veja Fig. 2.18). 
 No norte longínquo, o sol está acima do 
horizonte por muitas horas durante o verão (veja 
Tabela 2.3), o ar da superfície não está mais quente 
do que o ar mais ao sul, onde os dias são 
apreciavelmente menores. A razão para isso é 
mostrada na Fig. 2.19. Quando a radiação solar que 
chega (chamada insolação) penetra na atmosfera, 
poeira fina, moléculas de ar e nuvens a refletem e a 
espalham, e um pouco é absorvida pelos gases 
atmosféricos. Geralmente, quanto maior for a 
espessura de atmosfera que a luz do sol precisa 
penetrar, maiores são as chances de tanto ela ser 
refletida ou absorvida pela atmosfera. Durante o 
verão nas distantes latitudes do norte, o sol nunca 
está muito alto no horizonte, então sua energia 
radiante precisa passar por uma espessa porção de 
atmosfera antes de atingir a superfície da Terra. Um 
pouco da energia solar que alcança a superfície 
derrete o solo congelado ou é refletida pela neve ou 
gelo. E, o que é absorvido é espalhado por uma 
grande área. Então, mesmo que as cidades ao norte 
experimentem longas horas de luz solar, elas não 
são mais quentes que as cidades mais ao sul. 
Globalmente, elas recebem menos radiação na 
superfície e a radiação que recebem não aquece a 
superfície efetivamente. 
 Observe a Fig. 2.17 novamente e note que, 
em 23 de setembro, a Terra terá se movido e o sol 
está diretamente sobre o equador. Exceto nos pólos, 
os dias e as noites ao longo do mundo têm igual 
duração. Este dia é chamado equinócio de outono, e 
marca o começo astronômico do outono no 
Hemisfério Norte. No Pólo Norte, o sol aparece no 
horizonte por 24 horas, devido a inclinação da luz 
pela atmosfera. No dia seguinte (ou no mínimo daqui 
a vários dias), o sol desaparece da vista, para não 
nascer novamente por longos seis meses. Ao longo 
da metade norte do mundo a cada dia sucessivo, o 
comprimento dos dias diminuirão e o sol de meio-dia 
estará cada vez mais baixo no céu. Menos luz direta 
do sol e poucas horas de luz do dia a seu turno 
trazem tempo frio para o Hemisfério Norte. Luz solar 
reduzida, baixas temperaturas do ar, e brisas frias 
estimulam a ostentação das lindas cores do outono. 
 Em alguns anos, por volta do meio do 
outono, existe um aquecimento extemporâneo, 
especialmente nos dois terços leste dos Estados 
Unidos. Este período quente, referido como verão 
Indígena, pode durar por vários dias, uma semana 
ou mais. Ele usualmente ocorre quando uma grande 
área de alta pressão permanece por sobre a costa 
sudeste. O fluxo horário do ar em torno desse 
sistema move o ar quente do Golfo do México até o 
interior da parte central ou leste da nação. O 
aquecimento, as suaves brisas e a fumaça de várias 
fontes respectivamente fazem os dias brandos e 
enevoados. O tempo quente termina abruptamente 
quando o ar polar se desloca lembrando-nos que o 
inverno não está longe. 
 Em 22 de Dezembro (três meses depois do 
equinócio de outono), o Hemisfério Norte está 
inclinado e distante do sol como nunca ficará por 
todo o ano (veja Fig. 2.17). As noites são longas e os 
dias são curtos. Note na Tabela 2.3 que a luz do dia 
decresce de 12 horas no equador para 0 (zero) nas 
latitudes acima de 66½º (o círculo ártico). Este é o 
menor dia do ano, chamado solstício de inverno - o 
começo astronômico do inverno no norte do planeta. 
Neste dia, o sol brilha diretamente sobre a latitude 
23½º S (Trópico de Capricórnio). Na metade norte 
do planeta, o sol está na posição mais baixa no meio 
do céu. Seus raios atravessam uma espessa sessão 
de atmosfera e se espalham por uma grande área na 
superfície. 
 Com tão pouca incidência de luz solar, a 
superfície terrestre se resfria rapidamente. Uma 
cobertura de neve limpa cobrindo o solo ajuda o 
resfriamento. No norte do Canadá e no Alasca, o ar 
ártico rapidamente se torna extremamente frio 
tendendo ao equilíbrio, pronto para enfrentar uma 
batalha com o ar das latitudes médias ao sul. 
Periodicamente, este ar frio ártico impulsiona-se em 
direção ao norte dos Estados Unidos, produzindo 
uma rápida queda na temperatura chamada onda de 
frio, que ocasionalmente atinge o distante sul. 
Algumas vezes, esses turnos frios chegam bem 
antes do solstício de inverno - o primeiro dia oficial 
do inverno - trazendo com eles densas nevascas e 
vendavais. 
 Três meses passados do solstício de inverno 
marcam a chegada astronômica da primavera. 
Conhecida como equinócio de primavera, a data é 
21 de março e, novamente, o sol do meio-dia está 
brilhando diretamente sobre o equador, dias e noites 
por todo o mundo são de igual duração e, no pólo 
norte, o sol aparece no horizonte após longos seis 
meses de ausência. 
 Até este ponto, vimos que as estações são 
controladas pela energia solar atingindo nosso 
planeta inclinado, enquanto ele realiza sua viagem 
anual em torno do sol. Esta inclinação da Terra 
causa uma variação temporal no comprimento do dia 
e na intensidade de luz solar que alcança a 
superfície. Por causa desses fatos, altas latitudes 
tendem a perder mais energia para o espaço a cada 
ano do que elas recebem do sol, enquanto que 
baixas latitudes tendem a ganhar mais energia 
durante o curso de uma ano do que perdem. A partir 
da Fig. 2.20, podemos ver que apenas nas latitudes 
médias, perto dos 37º, a quantidade de energia 
recebida a cada ano equilibra a quantidade perdida. 
A partir dessa situação, podemos concluir que as 
regiões polares estão se tornando mais frias a cada 
ano, enquanto que regiões tropicais estão se 
tornando mais quentes. Mas isto não acontece. Para 
compensar esses ganhos e perdas de energia, 
ventos na atmosfera e correntes nos oceanos 
circulam ar e água quentes em direção aos pólos, e 
ar e água gelados em direção ao equador. Desta 
forma, a transferência de energia térmica pelas 
circulações atmosféricas e oceânicas previnem que 
as baixas latitudes se tornem extremamente 
geladas. Essas circulações são extremamente 
importantes para o tempo e o clima e serão tratadas 
mais detalhadamente no Capítulo 7. 
 
Estações do Ano noHemisfério Sul - Em 
22 de junho, o Hemisfério Sul está experimentando 
uma estação completamente diferente. Porque esta 
parte do mundo está agora inclinada para fora do 
sol, as noites são longas e os dias curtos, e os raios 
solares chegam num ângulo. Todos esses fatores 
mantém a temperatura do ar razoavelmente baixa. O 
solstício de junho marca o começo astronômico do 
inverno no Hemisfério Sul. Nesta parte do mundo, o 
verão não começará “oficialmente” antes que o sol 
esteja sobre o Trópico de Capricórnio (23½º) - 
lembre-se que isto ocorre em 22 de dezembro. 
Assim, quando é inverno (junho) no Hemisfério Sul, 
é verão no Hemisfério Norte. Se você está cansado 
do tempo quente de junho na sua cidade no 
Hemisfério Norte, viaje para a metade do globo em 
inverno e desfrute o tempo frio. A inclinação da Terra 
enquanto ela gira em torno do sol torna tudo isto 
possível. 
 Nós sabemos que a Terra está mais perto 
do sol em janeiro do que em julho. No entanto essa 
diferença na distância é da ordem de apenas 3 por 
cento, a energia que atinge o topo da atmosfera 
terrestre é apenas 7 por cento maior em 3 de janeiro 
do que em 4 de julho. Esta estatística pode nos levar 
a crer que o verão no Hemisfério Sul é mais quente 
do que no Hemisfério Norte, o que, todavia não é o 
caso. Um exame mais detalhado do Hemisfério Sul 
nos revela que 81 por cento da sua superfície é 
água, comparada aos 61 porcento no Hemisfério 
Norte. A energia adicional devido a proximidade do 
sol, é absorvida por grandes corpos d’água, 
misturando-se e circulando com ela. Isto conserva as 
temperaturas médias do verão (janeiro) no 
Hemisfério Sul menores do que as temperaturas de 
verão (julho) no Hemisfério Norte. Por causa da 
grande capacidade térmica da água, ela também 
tende a manter o inverno no Hemisfério Sul mais 
quente do que poderíamos esperar6. 
 
Variações Locais Sazonais - A Figura 2.21 
mostra como a posição do sol muda nas latitudes 
médias no Hemisfério Norte durante o curso de um 
ano. Note que, durante o inverno, o sol nasce em 
sudeste e se põe no sudoeste. Durante o verão, ele 
nasce em nordeste, alcança a posição maior no céu 
ao meio-dia, e se põe em noroeste. Claramente, 
objetos com face sul receberão mais luz solar 
durante um ano do que aqueles com face voltada 
 
6 Para uma comparação das temperaturas de janeiro e julho 
veja as figuras 3.7 e 3.8. 
para norte. Este fato se torna mais claro em 
escarpas ou terras montanhosas. 
 Colinas com face voltada para sul recebem 
mais o brilho solar (Hemisfério Norte) e, 
consequentemente, se tornam mais quentes do que 
as parcialmente protegidas colinas com face voltada 
para o norte. Altas temperaturas normalmente 
significam maiores índices de evaporação e 
condições de solo um pouco mais áridas. Assim, as 
vertentes montanhosas com face sul são 
normalmente mais quentes e áridas quando 
comparadas com vertentes norte a mesma altitude 
(no Hemisfério Norte). Em muitas áreas do oeste 
distante, apenas uma vegetação dispersa cresce nas 
vertentes com face sul, enquanto que a mesma 
elevação, uma vegetação densa cresce no frescor, 
da úmida face norte da colina (veja Fig. 2.22). 
 Nas montanhas, a neve normalmente 
demora no solo por um tempo muito maior nas faces 
norte das vertentes do que nas faces sul, mais 
quentes. Por esta razão, corridas de esqui são 
realizadas nas faces norte, quando possível. 
Igualmente, casas e cabanas construídas no lado 
norte de uma colina normalmente tem telhados bem 
inclinados, assim como estruturas reforçadas para 
suportar o peso adicional da neve nas sucessivas 
tempestades de inverno. 
 As mudanças sazonais na posição do sol ao 
longo do ano podem ter um efeito na vegetação em 
torno da casa. No inverno, casas grandes, com dois 
pavimentos, pode sombrear seu próprio lado norte, 
mantendo este lado muito mais gelado do que o lado 
sul. Árvores que requerem calor, tempo ensolarado 
devem ser plantadas no lado sul, onde a luz do sol 
refletida pela casa pode adicionar aquecimento. 
 O planejamento de uma casa pode ser 
importante na redução de custos de aquecimento e 
de resfriamento. Largas janelas devem fazer face 
para o sul, permitindo que o brilho solar penetre na 
casa durante o inverno (Hemisfério Norte). Para 
bloquear o excesso de luz solar durante o verão, 
uma pequena cortina ou uma aba de telhado deve 
ser construída. Uma cozinha com janelas viradas 
para leste permitirão o ingresso da luz matinal para 
ajudar o aquecimento desta área. Como o lado oeste 
se aquece rapidamente durante a tarde, quartos 
tendo pequenas janelas devem ser postos aqui para 
agirem como buffers térmicos. Árvores decíduas 
plantadas no lado oeste de uma casa fornecem 
sombra no verão. No inverno, elas soltam suas 
folhas, permitindo que o brilho solar aqueça a casa 
durante o inverno. Se você gosta do quarto de 
dormir ligeiramente mais frio do que o resto da casa, 
faça-o voltado para direção norte (Hemisfério Norte). 
Permita a ajuda da natureza com o aquecimento e a 
circulação do ar. O desenho, a orientação e a 
paisagem da casa podem ajudar a encurtar as 
demandas por eletricidade, assim como de gás 
natural e combustíveis fósseis, que estão se 
esgotando rapidamente. 
 
Resumo 
 
Neste capítulo, olhamos para os conceitos 
de calor e temperatura e aprendemos que calor 
latente é uma fonte importante de energia térmica da 
atmosfera. Também aprendemos que a transferência 
de calor pode ocorrer por condução, convecção e 
radiação - a transferência de energia por meio de 
ondas eletromagnéticas. 
 O sol (quente) emite quase sua totalidade de 
radiação como radiação de ondas curtas. Uma 
porção desta energia aquece a Terra, que por sua 
vez aquece o ar acima. A Terra (fria) emite quase 
que a totalidade de sua radiação como energia 
infravermelha de ondas longas. Absorvedores 
seletivos na atmosfera, como o vapor d’água e o 
dióxido de carbono, absorvem parte da radiação 
infravermelha da Terra e reirradiam uma porção de 
volta para a superfície, onde ela aquece a superfície, 
produzindo o efeito estufa atmosférico. A 
temperatura média de equilíbrio da Terra e de sua 
atmosfera permanecem razoavelmente constante de 
um ano para o outro porque a quantia de energia 
que elas absorvem a cada ano é igual a quantia de 
energia que perdem. 
 Finalmente, examinamos as estações do ano 
e descobrimos que a Terra tem estações porque tem 
seu eixo de rotação inclinado na medida que gira em 
torno do sol. A inclinação da Terra causa uma 
variação sazonal tanto no comprimento do tempo da 
luz do dia quanto na intensidade da luz solar que 
alcança a superfície. 
 
Termos Chave 
 
Os termos a seguir foram listados no decorrer do texto. Defina cada um. Isto lhe ajudará na 
revisão do material coberto neste capítulo. 
energia cinética térmicas corpos negros 
temperatura advecção temperatura de equilíbrio 
radioativo 
escala Kelvin energia radiante (radiação) absorvedores seletivos 
escala Fahrenheit ondas eletromagnéticas efeito estufa 
escala Celsius micrômetro janela atmosférica 
calor latente fótons espalhamento 
calor sensível espectro visível albedo 
condução radiação ultravioleta (UV) aurora 
convecção radiação infravermelha (IR) solstício de verão e inverno 
equinócio de outono verão Indígena equinócio de primavera 
 
 
Questões de Revisão 
 
1 - Faça uma distinção entre temperatura e calor. 
2 - Explique como o calor é transferido na nossa atmosfera por: 
a - condução 
b - convecção 
c - radiação 
3 - O que calor latente? Por que o calor latente é uma fonte importante de energia na atmosfera? 
4 - Por que a escala de temperatura Kelvin é geralmente usado nos cálculos científicos? 
5 - Como a quantidade de radiação emitida pela Terra difereda emitida pelo sol? 
6 - Como que os comprimentos de onda da maior parte da radiação emitida pelo sol difere daquela 
emitida pela superfície da Terra? 
7 - Quando um corpo alcança a temperatura de equilíbrio radioativo, o que está acontecendo? 
8 - Por que o dióxido de carbono e o vapor d'água são chamados absorvedores seletivos? 
9 - Explique como o efeito estufa atmosférico terrestre funciona. 
10 - Quais gases parecem ser responsáveis pelo aumento do efeito estufa terrestre? 
11 - Por que o albedo da Terra e de sua atmosfera estão por volta de 30 porcento? 
12 - Explique porque a atmosfera perto da superfície da Terra é aquecida de baixo para cima. 
13 - O que causa a aurora? 
14 - No Hemisfério Norte, por que os verões são mais quentes do que os invernos, mesmo estando a 
Terra mais próxima do sol durante o inverno? 
15 - Quais são os principais fatores que determinam a variação sazonal das temperaturas? 
16 - Durante o verão no Hemisfério Norte, as horas do dia nas latitudes mais ao norte são maiores do 
que as nas latitudes médias. Explique porque as latitudes mais ao norte não são mais quentes. 
17 - Explique porque a vegetação da face voltada para norte de uma colina é freqüentemente diferente 
da vegetação na face voltada para sul da mesma colina. Explique para o Hemisfério Sul. 
 
 
 
Figura 2.1: Absorção e liberação de energia calorífica. 
 
 
 
 
Figura 2.2: Toda vez que uma nuvem se forma, ela aquece a atmosfera. Dentro da tempestade em desenvolvimento 
uma grande quantidade de calor armazenado (calor latente) é dada ao ar, enquanto o vapor d’água que é invisível se 
transforma em bilhões de gotículas de água e de cristais de gelo. Na realidade durante a existência de uma única 
tempestade, é liberada mais energia dentro da nuvem do que na explosão de uma pequena bomba nuclear. 
 
 
 
 
 
Figura 2.3: A transferência do calor da parte aquecida do metal até a extremidade fria por contato molecular é 
denominada condução. 
 
Tabela 2.1: Condutividade térmica de várias substâncias. 
 
 
 
 
Figura 2.4: Desenvolvimento de uma térmica. Uma térmica é uma bolha ascendente de ar que leva energia calorífica 
para cima por convecção. 
 
 
 
Figura 2.5: A radiação pode ser caracterizada de acordo com o seu comprimento de onda. 
 
 
Figura 2.6: Espectro eletromagnético do sol e alguns dos nomes descritivos de cada região. Os números próximos à 
curva indicam a porcentagem de energia que o sol irradia nas várias regiões do espectro. 
 
 
Figura 2.7: O sol mais quente não só irradia mais energia que a terra mais fria, mas também irradia a maior parte da 
sua energia em comprimentos de onda muito menores. 
 
 
 
 
Figura 2.8: Absorção de radiação pelos gases na atmosfera. A abscissa indica o comprimento de onda em microns e 
a ordenada representa a absorção em percentagem. 
 
 
 
 
2.9: A luz do sol aquece a superfície da terra apenas durante o dia, enquanto que a superfície emite radiação 
infravermelha para cima constantemente, durante o dia e à noite. (a) Próximo da superfície, o vapor d’água, o CO2 e 
outros gases traço absorvem parte dessa energia infravermelha e re-irradia a mesma de volta para o solo – é o que se 
chama efeito estufa. Este processo gera aquecimento, como numa estufa ou num carro com os vidros fechados, e 
ajuda a manter a terra a uma temperatura média confortável de cerca de 15 oC à superfície. (b) Sem o vapor d’água, 
o CO2 e outros gases do efeito estufa, a superfície da terra emitiria energia infravermelha constantemente mas sem 
receber energia infravermelha de sua baixa atmosfera. Neste caso não haveria o efeito estufa e a superfície da terra 
seria muito mais fria do que é presentemente. 
 
Figura 2.10: O ar na baixa atmosfera é aquecido de baixo para cima. O sol aquece o solo e o ar acima deste é 
aquecido por condução, por convecção e por radiação. Em seguida pode ocorrer aquecimento mais acima quando o 
calor latente é liberado para o ar dentro das nuvens. 
 
 
 
 
Figura 2.11: Um por do sol brilhante e vermelho produzido pelo processo de espalhamento da luz. 
 
Tabela 2.2: Albedo típico de várias superfícies. 
 
 
 
 
Figura 2.12: Em média, da energia solar que alcança a atmosfera terrestre anualmente, cerca de 30 por cento é 
refletida e espalhada de volta para o espaço considerando a terra e sua atmosfera com um albedo de 30 por cento. Da 
energia solar que resta, cerca de 19 por cento é absorvida pela atmosfera e pelas nuvens e 51 por cento é absorvida 
na superfície. 
 
 
 
 
 
Figura 2.13: Balanço de energia terra-atmosfera. Os números representam aproximações baseadas em observações 
na superfície e em dados de satélite. Embora o valor real de cada processo possa variar vários pontos percentuais, a 
sua dimensão relativa é que é importante. 
 
 
N 
 
Figura 2.14: Aurora austral ou luzes do sul, fotografada entre a Antártida e a Austrália por astronautas de um ônibus 
espacial. A aurora se forma quando partículas energéticas provenientes do sol interagem com a atmosfera terrestre. 
 
 
 
 
 
Figura 2.15: A trajetória elíptica (altamente exagerada) 
da terra em torno do sol deixa a terra ligeiramente mais 
próxima do sol em janeiro do que em julho. 
 
Figura 2.16: A luz solar que atinge uma superfície com 
um ângulo agudo é espalhada sobre uma área maior do 
que quando a luz incide com ângulo reto. Os raios 
oblíquos do sol fornecem menos energia à superfície (são 
menos intensos) do que os raios diretos. 
 
 
 
 
 
Figura 2.17: A terra, ao girar em torno do sol, tem seu eixo inclinado com um ângulo de 23,5 º . O eixo da terra 
aponta sempre para uma mesma área no espaço (com seria visto de uma estrela distante). Portanto, em junho, 
quando o hemisfério norte está voltado para o sol, mais luz direta do sol e mais horas de iluminação diurna causa um 
tempo mais quente do que em dezembro quando o hemisfério norte não está voltado para o sol. (O diagrama 
logicamente não está em escala). 
 
 
Figura 2.18: O sol da meia noite. Estas oito fotos do sol foram tiradas no norte da Groenlândia (latitude 78 oN ) em 
fins do mês de julho entre aproximadamente 11 horas da noite e 1 hora da madrugada. 
 
 
 
Figura 2.19: Durante o verão do hemisfério norte, a luz do sol que atinge a superfície terrestre nas latitudes mais ao 
norte tem que passar através de uma camada da atmosfera que absorve, espalha e reflete luz, mais espessa do que na 
região tropical. 
 
 
 
Tabela 2.3: Tamanho do dia desde o amanhecer até o 
anoitecer para várias latitudes e épocas do ano. 
 
 
 
Figura 2.20: Média anual da energia solar absorvida pela 
terra e pela atmosfera (linha vermelha) e média anual da 
energia emitida pela terra e pela atmosfera (linha azul). 
 
 
 
Figura 2.21: Mudança na posição do sol, como observada nas latitudes médias no hemisfério norte. 
 
 
 
 
Figura 2.22: Em áreas onde pequenas variações na temperatura podem causar grandes variações na umidade do solo, 
a vegetação é esparsa na face sul da montanha em contraste com a vegetação mais densa na face norte. 
 
 
 
 
Foco especial: O ar ascendente se expande e se resfria enquanto o ar descendente se comprime e se aquece.