Radiação e Balanço de Energia Global_1

Prévia do material em texto

Radiação e Balanço de Energia Global
Radiação é a propagação de energia na forma de partículas ou ondas eletromagnéticas de um ponto a outro, seja no vácuo ou em qualquer meio material que interagem com os corpos. A radiação solar (ondas curtas de 100 nm a 3 000 nm – lei de Plank) é a maior fonte de energia para o planeta Terra, além de ser responsável pelo seu aquecimento, também é fundamental para a determinação do clima em um balanço de energia global através das radiações electromagnéticas emitida pela superficie do sol (fotosfera), ou seja, da energia que se propaga através de ondas eletromagnéticas, constituídas por um campo elétrico e um campo magnético oscilantes e perpendiculares entre si, que se propaga no vácuo na velocidade da luz, caracterizando-se pelo seu comprimento de onda, sua frequência e pelo espectro eletromagnético. Assim, para compreender como ocorre o balanço de energia global no sistema Terra-atmosfera, é preciso analisar além das variaveis que compoem a radiação emitida pelo sol, os gases que compoem nossa atmosfera e a superfície terrestre.
De toda radiação solar emitida, somente em torno de 51% (21% de forma direta e 30% da radiação de forma difusa) irá ser absorvida pela superfície da Terra, o restante é refletido ou espalhado de volta para o espaço ou absorvido pela atmosfera. Dos 49% restantes, 20% da energia é reenviada para o espaço sob a forma de energia reflectida pelas nuvens, 6% pelos gases e particulas da atmosfera e 4% pela própria superfície terrestre (Ras). As nuvens e a própria superfície terrestre são razoáveis reflectores, reenviando para o espaço então 30% da radiação recebida global, a esta razão entre a radiação reflectida e incidente chama-se albedo, assim, o albeto do planeta é, em média, de 30%. Os 19% da radiação solar restante é absorvida pela atmosfera.
O que determina se a radiação será absorvida, espalhada ou refletida depende do comprimento de onda da energia que está sendo transportada, e da natureza da atmosfera. O espalhamento proporcionado pela atmosfera terrestre é maior quanto menor for o comprimento de onda de radiação. Na faixa do visível do espectro (380 nm a 750 nm), a radiação violeta é que sofre maior espalhamento, seguindo-se do azul por apresentarem menores comprimentos de onda. Já a radiação ultra violeta é praticamente toda absorvida principalmente pelo gás oxigênio (O2) e o ozônio que forma a camada de ozônio - O3. A radiação ultravioleta contém a menor parte da energia solar (7%) e possui três classificações, conforme o comprimento das ondas: UVA (entre 400 nm e 315 nm, passam facilmente pela atmosfera), UVB (entre 315 nm e 280 nm, praticamente não passa pela atmosfera) e UVC (entre 280 nm e 100 nm, não passam pela atmosfera, é totalmente absorvida pela camada de ozonio). A absorção da atmosfera é praticamente nula aos comprimentos de onda na faixa entre 380 a 750 nm na faixa que se encontra a radiação visível. Já a radiação na faixa infravermelha (acima de 750 nm) do espectro é absorvida pelo vapor d’água, o gás carbônico e o oxido nitroso. 
Como toda matéria com temperatra acima de 0 K emite radiação (lei de Stefan-Boltzmann - definir?), a energia absorvida pela superfície terrestre proveniente da radiação solar mantem a temperatura global média da Terra em torno de 288 k (15º C), e assim, vai reemitir para a atmosfera energia na forma de radiação de ondas longas maior que 3000 nm (lei de Plank – definir?). Se toda a energia absorvida pela Terra fosse reirradiada diretamente para o espaço, o balanço de calor da Terra seria muito simples. Contudo, principalmnte o CO2 da atmosfera atua no sentido de retardar a perda de radiação terrestre, absorvendo uma parte e reirradiando grande outra parte desta energia de volta para a Terra. Como resultado deste processo, a superfície da Terra recebe uma grande quantidade de radiação de onda longa da atmosfera (95 unidades). Logo, a atmosfera na realidade emite mais energia que a quantidade de energia solar absorvida pela Terra, devido ao efeito estufa. A superfície da Terra, por sua vez, irradia 116 unidades de energia de onda longa para a atmosfera. Portanto, nesta troca (em onda longa) a atmosfera tem um ganho líquido de 15 unidades, enquanto a Terra tem uma perda líquida de 21 unidades. As restantes 6 unidades passam diretamente através da atmosfera e são perdidas no espaço, representada pela radiação entre 8µm a 11 µm que escapa mais facilmente porque o vapor d'água e o dióxido de carbono não absorvem estes comprimentos de onda, essa região do espectro é conhecida como JANELA ATMOSFÉRICA.
        Até agora contamos uma perda de 21 das 51 unidades de radiação de onda curta absorvidas pela superfície da Terra. A partir desta constatação pareceria que a superfície deveria ir aquecendo e a atmosfera arrefecendo. Isso não acontece porque existem outros meios de transferência de energia da superfície para a atmosfera que representam, no seu conjunto, uma transferência líquida de 30% do total de radiação solar incidente que equilibra o orçamento de energia no planeta. Em geral, este saldo de radiação final são gastos em 4 variáveis, em calor sensível (H), calor latente (LE – processo bio-físico), fluxo de calor no solo (G – processo físico) e fotossíntese (F - bio-químico), considerando-se que a nível global o aproveitamento energético de F e G é é muito baixo comparado com H e LE, podemos simplificar que o SR = H + LE. Assim, parte desta energia é transferida da superfície da Terra para a atmosfera através de calor latente (23 unidades), por moléculas de água durante o processo de evaporação e transpiração do vegetais (evapotranspiração), sendo então o calor latente referindo-se à quantidade de calor envolvida em mudanças de fase da água, pois a mudança da água líquida para vapor exige fornecimento de calor latente, enquanto a transformação de vapor para líquido libera calor latente. O restante da energia (7 unidades) é transferida da superfície da Terra para a atmosfera por calor sensível (condução e convecção).
Assim, podemos verificar que o balanço de radiação é composto pelo balanço de ondas curtas (BOC < 3000 nm) absorvida pela superfície terrestre (Ra) e balanço de ondas longas (BOL > 3000 nm) provenientes da superfície terrestre (Qs) e da atmosféra (Qa), podendo o saldo de radiação (SR) ser representada por: SR
+ = BOC + BOL. 
Adotando-se como positivo o sentido dos fluxos que entram no sistema e negativo o dos que saem, verifica-se que: BOC = Ra –Ras e BOL = Qa-Qs
Dessa maneira, Rn poderá ser positivo ou negativo, dependendo dos valores dos fluxos envolvidos. O BOC é positivo durante o período diurno e nulo no período noturno (ausência de radiação solar). O valor diário do BOL, normalmente, é negativo. Isso faz com que nas superfícies naturais, o valor diurno do BOC torne Rn positivo (ganho líquido de energia sobre a superfície), enquanto que a noite BOC = 0 tendo-se, então, Rn negativo. Essa é a maneira da superfície liberar parte da energia absorvida em calor sensível.
O saldo de radiação pode ser medido de várias formas, com equipamentos denominados saldoradiômetros utilizados em estações meteorológicas automáticas utilizando-se o mesmo princípio empregado nos piranômetros de termopar, porém medindo OC e OL. Há ainda métodos que podem mediar o SR a nível global utilizando abordagens de sensoriamento remoto, através de algoritmos como conhecido SEBAL e METRIC por exemplo, sendo possivel estimar inclusive os componentes do SR (LE e H). É válido ressaltar que estamos falando de balando global de radiação, entretanto, para cada superfície o balanço é diferente dependendo do uso e ocupação do solo, e se tratando de agricultura é muito complexo por conta das diferentes culturas agrícolas, dos diferentes estagios fenológicos e manejo, entretanto, é extremamente importante compreender como os componentes do SR influenciam sobre a produtividade agrícola, e que o componente G (fluxo de calor no solo) tambem, neste caso, não é desprezível, representando cerca de 10% do saldo deradiação, e que o LE é um componente essencial utilizado para estimar a evapotranspiração variando de acordo com a umidade do solo (> umidade do solo > LE e < H+G), componente este essencial no manejo da irrigação e do ciclo hidrolágico. Tanto o SR quanto o G, LE e H podem ser mensurados e estimados, principalmente através da técnica de medições utilizadando a técnica de covariância de vórtices turbulentos (Eddy covariance).
superfície - energia absorvida: 147% (51% do Sol + 96% da atmosfera); energia emitida: 117%
atmosfera - energia absorvida: 130% (19% ultravioleta. + 111% emissão terrestre); emitida: 160% (64% para o espaço + 96% para a superfície)