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Oceanografia Física Descritiva - Calor e Temperatura

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
LNSTITUTO OCEANOGRÁFICO
NOTASDEAULA
IOF - 201- FUNDAMENTOS DE OCEANOGRAFL~FÍSICA
IOF - 1202- OCEANOGRAFIA FÍSICA DESCRITIVA
Proia. SueliSusanadeGodoi
CAPÍTULO 2- CALOR E TE11;fPER4TURA
IOF - 201--FundamentosdeOceanograJlaFísica /IOF - ]202- OceanografiaFísica Descritiva
Calor e Temperatura
Profa. Sueli Susana de Godoi
1
CaloreTemperatura
2. CALOR E TEMPERATURA
Os Itensqueseseguemsãobaseadosnasseguintesreferências:
Dera (1992),Miranda (1998),Pickard& Emery(1990e 1993);TheOpenUniversity-
OceanCirculation(1995e 2001);The Open University- Seawater: its composition,
propertiesandbehaviour(1995)e TheOpenUniversity- Waves,Tidesand Shallow-
WaterProcess(2002).
2.1- INTRODUÇÃO
ParâmetrosdeEstadodaÁguadoMar
PropriedadesfLSico/ químicasdaÁguadoMar
A águado maré caracterizadapor certaspropriedadesfisicasque representamfeições
quantitativasdosistema.Estasquantidadessãodenominadasdeparâmetrosoucaracterísticas
deestadodosistemaOsparâmetrosdeestadodaáguadomarsão:
- temperatura- propriedadetermodinâmica
- condutividadeelétricae salinidade- propriedadesfisico/química.
- massa,volumeepressão- propriedadesmecânicas.
A temperatura,salinidade(conteúdodesal)epressãosãoosprincipaisparâmetrosdeestado
daáguadomar.Estasvariáveisindependentespermitem:
- identificareestudarasmassasdeáguadosoceanos.
- avaliarainteraçãoetransformaçãodemassasdeáguaporprocessosdemistura.
- estudarprocessosdemisturaatravésdediagramascaracterísticosdeestado,comoo
DiagramaTemperatura- Salinidade,ou simplesmenteDiagramaT-S.
Exemplificandoa importânciada mediçãode salinidade,temperaturae pressãoem
oceanografia,de acordocom Miranda (1998).Observea Figura 2.1-1 onde estão
representadosesquematicamentea interaçãoentreosfluidosoceanoe atmosferae o fundo
submarino,sobreaTerraemrotaçãoeaaceleraçãodagravidade.
IOF - I202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor eTemperatura
Prafa.Sueli Susanade Godoi
Caior e Temperatura
Nota-se interaçãomútuaentreestessistemasatravésdos balançosde calor e sal. Estes
balançosdeterminamasconcentraçõesdecalore desalnacamadadesuperficiedosoceanos.
Como estasconcentraçõessãomedidas?
Estas concentraçõessão medidasatravésda temperatura(T) e salinidade(S). Estas
propriedadesfisico/químicada águado margerammovimentos,os quaisseclassificamde
circulação térmica e salina, cujos efeitos combinadosdenomina-sede circulação
termohalina (Fig.2.1-2).
A temperaturae a salinidade,emfunçãodaprofundidade(pressão),determinamatravésde
umaequaçãodeestadodaáguadomara estratificaçãodemassaou dedensidade.Esta,por
suavez, vai gerargradientesde pressãoe consequentementecomponentesdo movimento,
classificadascomocorrentesdedensidade.Finalmente,a tensãode cisalhamentodo vento
atuandosobrea superficielivre do mar (interfacear/mar)é capazde gerarcorrentesde
deriva - Figura 2.1-3 (a) - inverno - HemisférioNorte e Figura 2.1-3 (b) - verão-
HemisférioNorte, denominadasde correntesgeradaspela açãodo vento.Os ventosque
prevalecemna superfícieda Terra e a posiçãomédiada da Zona da ConvergênciaInter-
TropicalestãoindicadosnasFiguras2.1- 4 (a) Julho (verão- HemisférioNorte / inverno-
HemisférioSul) e2.1-4 (b)Janeiro(inverno- HemisférioNorte/ verão- HemisférioSul).
Consequência:
Observa-sequea temperaturae a salinidadesãopropriedadesdaáguado marquetêmuma
importânciadestacada.Conforme mencionado,as variáveis S, T e p (pressão)são
denominadasdevariáveisindependentese umametodologiaadequadafoi desenvolvida,até
os diasatuais,parapermitirqueas variáveisdependentescomodensidade,correntes,calor
específicodaáguado mar,velocidadedepropagaçãodo somnaáguado mar, entreoutras,
sejamcalculadascoma precisãonecessária.Nestecontexto, observa-sea necessidadede
estudar a águado marcomoum sistematermodinâmico,o qualserá iniciadoatravésdo
estudodas característicasdosprincipaisparâmetrosdeestadodaáguadomar: S, T ep .
[OF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
Profa. Sueli Susanade Godoi
2
OCEANO
FLUXO DE CALOR
ATMOSFERA
TENSio DEClSA- EVAPORAÇÃO
. LHMt€NTO.DO VEN10 PRECIPITAÇÃO
'EQUACIo
MOAtENro
lu.v•••
EQUAÇloor
ESTADO
.f ~.f15.T.pI
Figura2.1-1 DiagramaEsquemáticoOceano/Atmosfera/FundoSubmarino.
[Miranda, 1998]
6
5
2
Antarctic Pqfê;lr
. Fro~~1Zone
Aniarctic
.Diveroence
o
Figura2.1-2 SeçãoMeridionaldo OceanoAtlântico,mostrandoo movimentodas
maioresmassasdeágua.
NADW =North Atlantic DeepWater
AAIW =Antarctic lntermediateWater
AABW=Antarctic BottomWater
M =indicao escoamentoda ÁguadoMediterrâneonoOceanoAtlânticoNorte
[TheOpenUniversity- OceanCirculation,1995]
Figura2.1-3(a) O SistemaGlobaldeCorrentesdeSuperfície- correntesfriasestão
indicadaspor linhas tracejadas;correntesquentesestãoindicadaspor linhas
contínuas.O mapamostracondiçõesmédiasparaosmesesdeinvernonoHemisfério
Norte;há diferençaslocaisno verão,particularmentenasregiõesafetadaspelas
Monções(ventosquemudamcomasestaçõesdoano).Especificamente,sãoaquelas
regiõesdostrópicosondehá amplasvariaçõessazonaisna posiçãoda Zonada
ConvergênciaInter-Tropical- ZCIT (Fig.2.1-4b).
[TheOpenUniversity- OceanCirculation,1995]
Figura2.1-3(b) O SistemaGlobaldeCorrentesdeSuperfície- correntesfriasestão
indicadaspor linhas tracejadas;correntesquentesestãoindicadaspor linhas
contínuas.O mapamostracondiçõesmédiasparaosmesesdeverãonoHemisfério
Norte;há diferençaslocaisno verão,particularmentenasregiõesafetadaspelas
Monções(ventosquemudamcomasestaçõesdoano).Especificamente,sãoaquelas
regiõesdos trópicosondehá amplasvariaçõessazonaisnaposiçãoda Zonada
ConvergênciaInter-Tropical-ZCIT (Fig.2.1-4 a).
[TheOpenUniversity- OceanCirculation,2001]
(a) JUlY
(b) JANUARY
KEY meanposition
- oflTCZ
+- mostfrequent
wind direction
..., prevailingwind direclion
(~50%of observations)
~
Figura2.1- 4 Osventosdominante\!'snasuperfíciedaTenTa,eaposiçãomédiada
ZonadaConvergênciaInter-Tropical(ZCIT) para(a)Julho - verão- Hemisfério
Norte/ inverno- HemisférioSul e (b)Janeiro-lnvemo - HemisférioNorte/ verão
- HemisférioSul.Também,sãomostradasasposiçõesdasprincipaisregiõesdealtae
baixapressõesatmosféricas.Os mapasrepresentamcondiçõesmédiassobreum
longoperíodo.
[TheOpenUniversity- OceanCirculation,200l]
Calor e Temperatura
Importante:
A razão pela qual a temperatura,salinidadee, consequentemente,a densidade são
importantesemidentificaras propriedadesda águado maré que estassãopropriedades
conservativaslongedasuperfície(interfacear/mar),istoé nointeriordooceano.
Isto significaque:
- abaixoda superficienão há processossignificativospelosquaisqualquerquantidadeseja
alterada,excetopormistura.
- Na ausênciadefontes" insitu"e sorvedourossignificaqueo espalhamentodaágua,ou seja
dasmassasdeágua,no oceanopodesertraçadoatravésdesuaorigemnasuperficiedo mar
por seusvalorescaracterísticosdetemperaturae salinidade.
- Próximoa superficie,evaporaçãoouprecipitaçãopodemalterara salinidade.Por outrolado,
muitosprocessosdetransferênciadecalornasuperficiepodemalteraratemperatura.
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
Profa. Sueli Susana de Godoi
3
Calor e Temperatura
2.1.1- VOCABULÁRIO
SegundoPickard & Emery (1993) o seguintevocabulárioé usado na discussãode
propriedadesfisicasdaáguadomaretécnicasdemedidas.
DETERMINAÇÃO - medidadireta real deumavariável.Por exemplo,o comprimentode
umapeçademadeiracomumarégua.
ESTIMATIVA - um valorparaumavariávelderivadoatravésda determinaçãodeumaou
maisoutrasvariáveis.Por exemplo,a estimativada salinidadeatravésda determinaçãoda
clorinidade.
ACURÁCIA / EXATIDÃO (ACCURACY)- a diferençaentreo resultadoobtidoe o valor
verdadeiro.Por exemplo,diferenças entre medidasde temperaturamonitoradascom
sensoresabordodesatéliteseaquelasobtidaspornavio.
PREClSA-O - a diferençaentreum resultadoea médiade vários obtidospelo mesmo
método.A precisãoestárelacionadacom a reproduçãoda medida e inclui, somente,erros
aleatórios.Por exemplo,diferençasde observaçõesde temperaturafeitascomum mesmo
instrumento: termômetrosde reversãoe perfiladorescomo o CTD (Conductivity,
TemperatureandDepth)
ERRO SISTEMÁTICO - umerroqueresultadeumafalhabásicanométodo,a qualfaz com
queosvaloressejamconsistentementediferentesdeumvalorreal.
Nota:nãopodeserdetectadoporanáliseestatísticadosvaloresobtidoseafetaaexatidão.
ERRO ALEATÓRIO - resultadaslimitaçõesbásicasdo método.Por exemplo,o limitede
exatidãoemquesepodelero níveldeumlíquidoemumabureta.
Nota: é possíveldeterminaro valor paraestetipo de erro pela análiseestatísticade um
número suficientede medidas;este afeta a precisão.Na prática,erros aleatóriossão
identificadospelasuadistribuiçãoGaussiana.
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
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Calor e Temperatura
2.1.2- CONCEITOS
A águadomarcomoumsistematermodinâmicopodeinteragircomsuavizinhança,comopor
exemplo,atravésdetransferênciadecalor.Revisandoos conceitosdeenergiainterna,calor,
trabalhoetemperatura.
Energia interna:
- tambémchamadade energiatermal, é a manifestaçãodos movimentosmoleculares
aleatóriosdosconstituintes.Estaresideno interiordamatéria.
Calor eTrabalho:
- éumaformadeenergiaemtransição,aqualresidenocontornodosistemaeportantonão
estácontidano interiordamatéria.
- caloréumaformadeenergiaemtrânsito,porqueestáassociadacomumgradientede
temperatura.
- assim,parahavercalorhánecessidadedeuma"fontequente"e uma"fontefria",para
estabelecerumgradientedetemperaturaedarorigemaocalor.
Temperatura:
- estáassociadacoma energiacinéticadasmoléculasdo corpo,emqueestásemedindo.
- quantomaiora energiacinéticadeumcorpo,istoéquantomaiora "agitação"dasmoléculas,
maiorseráatemperaturadestecorpo.
- ainda,éumapropriedadequeresultadaexistênciadecalor.
- sedefínecomoo graudeoscilaçãodasmoléculas,istoérepresentaaenergiacinéticainterna
deumcorpoporefeitodecalor.
No decorrerdo Capítulo2 sãoapresentadascaracterísticasdo espectrodaradiaçãosolar,
noçõessobreo balançode calorna superfícieda Terra e balançodecalornosoceanos.Na
sequência, são tecidos comentáriossobreas distribuições horizontaise verticais da
temperaturanos oceanos.
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor eTemperatura
Praia. Sueli Susana de Godoi
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Calore Temperatura
2.2- RADIAçÃO SOLAR
2.2-1ESPECTRO DA RADIAçÃO SOLAR
Fazendoumabreverevisão:
A principalfontedeenergiadoplanetaTerra:radiaçãoeletromagnética=> conjuntodeondas.
Ondaé umapertubaçãoou distúrbiotransmitidoatravésdo vácuoou de ummeiogasoso,
liquidoousólido.Existeuma variedademuitograndedeondas;porexemplo,asondasdomar
asondasnumacorda,numamola,asondassonoras,asondaseletromagnéticasetc.Essasondas
podemdiferiremmuitosaspectos,mastodaspodemtransmitirenergiadeumpontoa outro;
algumasatravésdegrandesdistânciassemnecessariamentehavertransportedematériaCada
tipo de ondapodesercaracterizadopelaoscilaçãode umaou maisvariáveisfisicasquese
propagamatravésdoespaço/meio.
Um tipoespecialdeondasãoaseletromagnéticas.Nelas,asvariáveisfisicasqueoscilamsãoos
vetarescampoelétricoe campomagnético.Osolhossãoreceptoresespeciaisquedetectamas
ondaseletromagnéticascomcomprimentodeondaentre4000e7000Angstrons(1 Angstrom
[A] = 10-10m) , chamadasondasluminosasvisíveisou simplesmenteondasluminosas.Nas
ondassonorasavariávelfisicaquesofreoscilaçãoéapressão.Osouvidosconstituemreceptores
especiaisdeondassonorascomfrequênciasde20a20000Hz.
Dependendodomeiodepropagaçãodasondas,elaspodemsermecânicasounão-mecânicas.
OndasmecânicassãoasquesepropagamemmeiosdeformáveÍsou elásticos.Ondassonoras,
ondasemumamola,ondasemumacorda,ondasnaáguasãoexemplosdeondasmecânicas.
Elas seoriginamde umapertubaçãoou distúrbionumaregiãodeummeioelástico.Tendoo
meiopropriedadeselásticas,o distúrbioétransmitidosucessivamentedeumpontoa outro.As
partículasdomeiovibramsomenteaoredordesuasposiçõesdeequilíbrio,semnoentantose
deslocarcomoum todojuntamentecoma onda.Entretanto,as ondaseletromagnéticasnão
necessitamdemeiomaterialparasuapropagação,e são chamadasondasnão-mecânicas,como
porexemploaluzqueatravessao espaçointerestelarpraticamentevazio.
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calore Temperatura
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Calore Temperatura
As ondasluminosassãoconsideradastransversais,poisasoscilaçõesdosvetorescampoelétrico
e campomagnéticoocorrememdireçõesperpendicularesà direçãodepropagação.Por outro
lado,sea pertubaçãoforparalelaà direçãodepropagaçãotem-seumaondalongitudinaLcomo
porexemploasondassonoras.
Ondasidealizadasnaformasenoidal(Fig. 2.2-1)têm
- comprimentodeonda- À ouL (comprimentoentresucessivascristas);
- altura- H (diferençaverticalentrecavadoecrista);
- declividade(razãoentrealturaecomprimentodeonda);
- amplitude- a(metadeda alturadaonda);
- período- t ( intervalodetempoentresucessivasondaspassandoemumpontofixo)e
- frequência- f (recíprocodoperíodo).
oT. A Terra comoum SistemaTermodinâmico
Imaginandoo globodaTerracomournaesferasuspensano vácuo cósmicoe sendoaquecida
continuamentepelaradiaçãosolar (Fig. 2.2-2).Como qualquercorpo queé irradiado,a
radiaçãoincidenteé parcialmenterefletidapela Terra e parcialmentetransmitidapara a
atmosfera,terrae marondeestaé espalhadae absorvida.Aquelapartedaenergiadaradiação
solar ~Qaa qualemumtempofinito( umséculo,umano)é absorvidapelaTerraaumentasua
energiainternapor ~U,deacordocomaPrimeiraLeidaTermodinâmica:
~Qa= ~U+W
(2.2-1)
onde:
W - trabalhodaTerrafeitocontraasforçasexternasepodesersupostoigualazero
De acordocomDera(1992),o aumentoda energiainternana Terraemumdadotempoé
manifestadosobretudopor um aumentona temperaturade seusconstituintes,isto é, pelo
aumentonaenergiacinéticadaspartículasdear,água,soloetc... (calorsensível).Mas,também,
[OF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor eTemperatura
Profa.Sueli Susanade Godoi 7
Calor e Temperatura
contribuemparaesteaumentototal naenergiao aumentonaenergiapotencialdasmoléculasde
água,quandogelo fundeou água evapora(calorlatente),e, posteriormente,o aumentona
energiacinéticae potencialdosmacro-componentesmóveis daTerra,quecorrespondema
energiamecânicadasmassasdear,vapordeáguaeáguanaatmosfera,oceanose rios( ventos,
nuvens,correntes).Finalmente,nesteaumentoglobaldaenergia,devidoaabsorçãodaradiação
solar, deve-seincluir o aumentona energiaquímicaacumuladacomo um resultadoda
fotossíntesedamatériaorgânica(carboidratos,proteínas,gordurase seusprodutosderivados,
taiscomomadeira,carvãovegetal,óleo,gásnatural).
As outrasformasdeenergiainternadaTerramencionadassão,namaioria,deváriosmodos
todasconvertidasemcalor.Istoé o queocorrequandocaloré produzidoduranteaoxidação
desubstânciasorgânicas,pelafricçãoentremassasemmovimento,durantea condensaçãode
vaporde águae congelamentoda águalíquida,e demaisoutrosprocessos.Assim,caloré
continuamentefornecidoparaa Terra,a qualé envolvidapor este.Entretanto,a Terraestá
prevenidadeumsuperaquecimento,atravésdaemissãodeseuexcessodecalorparao espaço
naformadeondaseletromagnéticas.Estasondastêmcomprimentodeondana faixado infra-
vermelhoe sãoemitidaspelaterra,mare atmosferadeacordocoma regra:" todocorpocuja
temperaturaabsoluta,T, é maior que zero emiteradiação eletromagnéticapara sua
vizinhança" (T 'c+273 =TK => O·abs=OK =-273°C)
A Figura2.2-2éurnailustraçãosimplificadadomecanismobásicodesteprocessoglobal.
.to Espectro eletromagnético
=> totalidadedoscomprimentosdeondadaradiaçãoeletromagnética(Fig. 2.2-3).
Comprimentodeondas:
Ultra-violeta<visível<Infra-vermellio
Considerandoalgunsaspectosda teoriada radiaçãoeletromagnética- conjuntode ondas
eletromagnéticasquenovácuopropagam-secomavelocidadedaluz (c*= 3.108 rnls)
c* =AI T =A. f
[OF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
Praia. Sueli Susanade Godoi 8
----+a
amplitUde!
(a)
-a
1 wavelength(i)
ie~-~=L
. ·4 4
5L/4
waveheight(H)
[Dera, 1992]
Figura 2.2-1 Perfil vertical de duas sucessivasondas óéeânicasidealizádas,
mostrandosuasdimensõeslineareseformasenoidal.
[ TheOpenUniversity- Waves,Tidesando-o, 2002]
Solarradiatlon
~oTeneslJialradlation
b (infra-red)
Figura 2.2-2A Terra emrotaçãocomumavelocidadeangularO) comoumsistema
termodinâmicoiluminadopelaradiaçãosolar, cuja radiaçãoabsorvidaQs [J] é
aproximadamenteigual a energiaemitidaQb[J] na faixado infra-vermelhodo
espectrodaradiação.
VHFI HF
Radio
micro-
onda.s
D1s-
ta.nte
~ ~ ~
te:' ~ e:o o o
LVEP-1'v1 13Ufo
~MI'1R.b Lo
'VE.}e.DG
i ii ~~
,., V li'>
o o Ó
f-\1:·I.)Lj
Comprimento de onda
E
E E EEu::' E
Figura 2.2-3O EspectroEletromagnético
[Ciotti, c.pes.)
HlO
.' H~OGOl
/ I J
.~L,_""-~~rti~:'~."/~~"='"
1.2 1.4 1.6 1,8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2
Comprimento de onda (nm)
n-.\ .. Energia para um um corpo negro
1:,'\." O.'PIrradilncianotopodaabnosrera
/J V\\ \ .~/'~ Jrradlânéia ao nível do mar
I p ..)
!J' l...y.
; i \>... ,/ o~
r 'j../ /H.O
!~.\'-··/"OJ•.'" '.,' H O
ti r - . \~.•.\ ..._/-.--' ~ "'\
1'\' .' ,H·.U, : '"1\ '~..\ ,. .c.
0.0
.l.O O,l 0.4 0.6 0.8
0.5
2.0
2.5
~
~
,ê 1.5
~
.lIu
c:
!t21.0
'O
(!i-
Figura2.2-4 Características Ópticas da Atmosfera
Distribuiçãoespectraldairradiâncianotopodaatmosfera
oudachamadaradiaçãosolarextraterrestre(1373W/m2)
[Ciotti, c.pes.]
Calore Temperatura
c* =AI T =A. f
( 2.2-2)
40· Energiatransmitidapelaradiaçãoeletromagnética
E =h.f
(2.2-3)
h = 6,626. 10-34J.S - ConstantedePlanck
conhecendof ou Apode-sequantificara energiatransmitidanasondaseletromagnéticas.
Unidades:
E - [Joules] h - [J. s]; f - [S·l]
E =h.c*1A
(2.2-4)
40 Fluxo de radiaçãoeletromagnética
=> taxadetransferênciadeenergia
Ex: taxaderadiaçãodo Sol =3,9 .1026 J/s ouWatls(W)
40 Irradiância
=> fluxoderadiaçãopor unidadedeárea (Fig.2.2-4)
considerandoo raiomédiodo Sol =7.108 fi
Ex: Irradiânciado Sol => I =3,9.1026I 4 1t (7x 108)2
~ 6,34.107W I m2
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- CaloreTemperatura
Projà.Sueli Susanade Godoi 9
CaloreTemperatura
.te Lei dePlanck :
=> A quantidadede radiaçãoemitida,por unidadedevolume,de um Corpo Negro, em
cadacomprimentodeonda, (Fig.2.2-4) é função somentede sua temperaturaabsoluta.
Corpo Negro: corpo ideal que absorvetoda radiaçãorecebida.Emite o máximode sua
capacidadeemqualquercomprimentodeonda( À )
E* À =
(2.2-5)
onde:
c, =3,74x 10-16 W I ~ C2=1,44 x 10-2 mK À =[m]; T= [K]
.te Lei deStefan-Boltzmann:
=> estabelecequea emíssividadetotaldelUD corpoperfeitamentenegro c T, istoé,o fluxode
energia [W/m2J emitido por uma unidadede áreadaquelecorpo, é proporcionala quarta
potênciadatemperaturaabsoluta(K =°C+273) daquelecorpo.
(2.2-6)
onde:
cr =5,6687X 10-8W m-2K-4 é a constantedeStefan-Boltzmannn
Esta energiaestána forma de radiaçãoeletromagnéticacom um intervaloou espectrode
comprimentosdeonda.
.te Lei deWien:
=> descrevea distribuiçãoespectraIdaenergiaradiantedeumCorpo Negroe podeserescrita
como:
10F - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calore Temperatura
Prafa.Sueli Susanade Godoi 10
CaloreTemperatura
f:t..,T=A-5/(AT)
(2.2-7a)
onde:
f: À ,T=d f:T I dA
é a densidadeespectralda emissividade,que é, a potênciade emissãodoscomprimentosde
onda contidosemumintervaloiníinitesimaldA aoredordeumdadocomprimentodeondaA na
temperaturaabsolutaT
=>/ - é umacertafunçãodoproduto A T
~ BaseadodessaLei tem-seque, a máximaemisssividade(f: Ã.,T)Max , natemperaturaabsoluta
T, encontra-senocomprimentodeonda dadopor:
Aro = b/T
(2.2-7b)
onde:
b=2898J-l m K - constantedeWien
T - Temperaturaabsoluta(K) do corporadiante
1 J..lm=1O-6m
Portanto,a concentraçãode energianãoé a mesmaemtodosos comprimentosde onda,mas
temumpico marcanteemum comprimentodeondaA m dadopor (2.2-7).Paraum corpoem
umaaltatemperaturaa energiaradianteé concentradaemcomprimentosdeondacurtose vice-
versa.Esta Lei é chamadatambémdeLei dedeslocamentode Wien,umavezquedescreveo
deslocamentodo máximodoespectroderadiação.
o Sol temumatemperaturadesuperficiedealguns6000K e radiaenergiaemtodasasdireções
emumataxaproporcionala 60004 • Segundoa Lei de Weinestaenergiaestáconcentradaao
redordocomprimentodeondade0,48- 0,5 J..lm (luzazul-verde):
JOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- CaloreTemperatura
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Calore Temperatura
- 50%destaenergiaestánafaixadovisíveldoespectroeletromagnético,aproximadamente
0,35a 0,7J.l m.
- 99%encontra-senafaixadecomprimentosdeondamaiscurtosque4 J.l m
Estaenergia é referenciadacornoradiaçãode ondacurta,denominadapor Qs, e atuacorno
fonte deenergiano balanço de calor.O termo deradiaçãode onda-longa,denominado
por Qb, representaa energiaeletromagnéticaradiadaparaforadaTerra (terrae mar), emurna
taxaquedependedatemperaturaabsolutadaTerra.Tornandournatemperaturamédiade 17De
= 290K parao mar, a taxade energiaradianteé proporcionala 290 4 • Esta taxa é muito
menorqueaquelado Sol, e cornoa temperaturaé menoro comprimentodeondaé maislongo.
O comprimentode onda,no qualaradiaçãodo maratingeseu máximo,é aproximadamente
10J..L m(istoé,no infra-vermelho)
- 90%daradiaçãodomarestánafaixadesde3 a 80 J.l. m e estaé referenciadocornoradiaçãode
ondalongaemcontrastecomaquelaprovenientedo Sol, aqualé menorque4 J.l m.
A Figura2.2-5 mostracomparaçãodos espectrosda radiaçãoda Terra e Sol, considerandoa
Terracomumatemperaturamédiadeaproximadamente255K, incluindoaquelada atmosfera.
Neste caso, observa-seque a maioriada radiaçãoeletromagnéticaemitida pela Terra é
predominanteno comprimentode ondade 11 J.l m.Assim,a principaldiferençanosespectros
daradiaçãoeletromagnéticatotaldaTerrae Sol resultadadiferençadetemperaturaentreestes
doiscorpos.
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- CaloreTemperatura
Profa.Sueli Susanade Godoi 12
(a)
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T:6000K
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Solar radiation
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(b)
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Figura2.2-5 Umacomparaçãodo espectrodaradiaçãodaTerra eSol.
(a) Espectronormalizadodaradiaçãodo Sol(T =:6000K) edaTerra (T=:255K)
ilustrandoasdiferençasnasfaixasemáximaradiaçãodeamboscorpos.
(b) O espectroabsolutoaproximadoda radiaçãosolareterrestre.
[Dera, 1992]
Calor e Temperatura
2.2-2 VARIAçÃO ESPAÇO-TEMPORAL DA QUANTIDADE DE RADIAçÃO SOLAR
INCIDENTE NA SUPERFÍCIE DA TERRA
Conformecolocado,a radiaçãosolaré dominadapeloscomprimentosdeondado ultravioleta,
visívele Ínfravermelhopróximo.Em média,das 100unidadesdaenergiairradianteprovindado
Sol que atingea superficiedaTerra.
- somente70%daradiaçãosolarpenetranaatmosfera.
- aproximadamente30% é refletidade voltaparao espaçoatravésdenuvense partículasde
poerras.
Do remanescentede70%, emmédia,
- 17%é absorvidanaatmosfera;
- 23%alcançaa superficiecomoluzdiurnadifusa;
- 30%alcançaa superficiecomoluz dosol direta.
A maioriadaradiaçãoultra-violetaé absorvidanacamadadeOzônio.Um céuclarosemnuvens
apresenta-seazul,devidoao espalhamentodecurtoscomprimentosdeondapelasmoléculasde
ar.
A radiaçãoqueefetivamenteatingea superficieda Terra, isto é a insolação,nãoé totalmente
absorvida.A porcentagemda insolaçãorefletidapor umasuperficieé denominadade albedo
daquelasuperficie.Exemplificando:
TABELA 2.2-1 ALGUNS ALBEDOS TÍPICOS
SUPERFÍCIE ALBEDO(%)
Neve
Acimade90
Areianodeserto
35
Vegetação
10-25Rochas
10-20
Áreasconstruidas
12-18
Águascalmas
2
TheOpenUniversity- Seawater:itscompositionm (1993)
IOF - ] 202- OceanografiaFisica Descritiva- Calor e Temperatura
Prata. Sueli Susana de Godoi 13
Calor e Temperatura
A intensidadederadiçãosolarqueincidesobrea Terra- insolação- dependeprincipalmentedo
ângulono qual os raios do Sol incidemna superfície(Fig.22-6(a», e a distribuiçãode
temperaturasobre a superfícieda Terra variacom a latitudee estaçõesdo ano, devidoa
inclinaçãodo eixodaTerracomrelaçãoa suaórbitaaoredordo Sol.
A Figura2.2-6(b) mostraqueao longodo Equador,a máximaisolaçãoocorrenosequinócios
demarçoe setembro,quandoo Sol do meio-diaestáa pino.Insolaçãotoma-sealtanasregiões
equatoriaisduranteo restodo ano.
O Sol demeio-diaestáa pinoao longodosTrópicosdeCâncere Capricórnionossolstíciosde
junho e dezembro,respectivamente,tal quelatitudestemperadasrecebeminsolaçãomáximae
mínimadurantesuasrespectivasestaçõesdeverãoe inverno.Nos polos, háinsolação,somente,
paraaproximadamentemetadedo ano.Estes sãototalmenteiluminadosno verãoe totalmente
escurosnornvemo.
Entende-sepor equinócioo pontoou momentoemqueo Sol, ao descrevera eliptica,cortao
equador,fazendocom que os dias sejamiguaisàs noitesem todaa Terra. Por outro lado,
solstícioé a épocado ano, emqueo Sol se achaemum dos trópicose pareceestacionário
algunsdiasantesdecomeçaraproximar-senovamentedo equador.
A Figura2.2-7mostracomoa quantidadede radiaçãosolarrecebidaanualmentevariasobrea
superfícieda Terra. Intuitivamente,espera-seque os contornossejamparalelosas linhasde
latitude.Estenãoé exatamenteo caso.
Em geral,em umadadalatitude,os valoresdos contornossãomaioressobreos oceanosou
sobreos continentes?Comoistopoderiaser?
A insolaçãoé geralmentemaioremáreascontinentaisdo quenosoceanos.A atmosferasobre
os oceanos contem uma grande quantidadede água na forma de vapor e em nuvens,
particularmenteembaixaslatitudes;estaáguajuntamentecomgasescomodióxidode carbono
( CO2) e dióxidode enxôfre(S02) absorvememmédia, aproximadamente,30% daradiação
solarincidente(Figura2.2-8).Sobrea terra,a atmosferatendea sermaisseca,e maislivrede
nuvens,particularmenteemáreastropicaise subtropicais.Nuvensespecialmentetemumefeito
marcante,poisestasnão absorvemsomenteradiaçãomastambémasrefletemparao espaço.
Vapor de água e nuvensnão são somenteos únicos fatoresque afetama radiaçãosolar
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
Praia. Sueli Susana de Godoi 14
Calor e Temperatura
incidente.A quantidadede radiaçãosolar recebidana superfícieda Terra pode tambémser
reduzidapelapresençadecinzas,fumaças,poeirase gasesprovenientesdevulcõese complexos
industriais,bemcomopoeirasadvindasderegiõesáridas.
Analisandoa Figura2.2-8, a Terracomoumtodonãorecebesomenteradiaçãodeondacurta
atravésdo sol, mastambémre-emiteradiaçãode ondalonga.Comose sabe, todosos corpos
comtemperaturaacimade zerograuabsolutoemitemradiação:
T °c+273=T K ~ 0°abs=OK =-273°C
Recordando,quantomaiora temperaturado corpo emquestão maiora quantidadetotal de
energiaradianteemitida,e maisradiaçãodo espectroé deslocadaemdireçãoaoscomprimentos
deondamaiscurtos.Assim,as supernciesdosoceanose continentesnãosomenteabsorveme
refletema radiaçãodeondacurtaincidentequetenhapenetradonaatmosferamas,também,re-
emitemradiação,a qual é na maioriade comprimentosde onda muito maiores,devido as
temperaturasrelativamentebaixasenvolvidas.Esta radiaçãodeondalongaé tantorefletidade
voltaparaa Terra por nuvens,ou é absorvidapelasnuvens,vaporde águae outrosgases -
especialmentedióxidodecarbonoe ozônio- todosestesre-emitemradiaçãodeondalongaem
todasasdireções(Figura2.2-8).
A Figura2.2-9mostraqueo intervalodetemperaturanosoceanoschegaatéaproximadamente
40°C, ou aproximadamente30 °c seforemexcluídosmaresrasose restritos.Por outrolado,o
intervalodetemperaturaencontradosobreo continenteé aproximadamentetrêsvezes maior.O
armazenamentode temperaturanos oceanosdependedatrocacontínuade calor e águaentre
oceanoe atmosfera,feitaprincipalmentepor meiodociclohidrológico.
IOF - J 202- OceanografiaFísica Descritiva - Calor e Temperatura
Profa. Sueli Susana de Godoí 15
(~ "
., .• ..:. • ....;:.•i.;;.•••.•.•••&..l.t:••...:."'"'-
(b)
orbital
path
21 June
northern
summer
solstice
aphelion
4 July
perihelion
3 January
21 September
northernautumn
equinox
21 December
northern winter
solstice
Figura2.2-6(a) OângulodoSol incidentesobrea superficiedaTerra
eaáreade superfíciedaTerrasobreaqualaenergia
é espalhada.
(b) As quatroestaçõesdoano- HemisférioNorte,relacionadasa
órbita da Terra ao redor do Sol. O eixo da Terra é inclinadoem
aproximadamente23,So aoplanodesuaórbitaelípticaaoredordoSol,talque
nossolstíciosdeverãoe invernonorteo Soldomeiodiaestánozênite(apino)
nosTrópicosdeCâncer(230N) e deCapricórnio(23°8),respectivamente;nos
equinóciosdeprimaveraeoutonoesteestásobreoEquador.
[ TheOpenUniversity- Seawater:itscomposition,.. , 1995]
[ lhe OpenUniversity- Waves,Tidesand.,', 2002]
Figura2.2-7A quantidadede radiaçãosolar recebidana superfícieda Terra,
emW/m-2 , médiasobre o períodode01ano.
[lhe OpenUniversity- OceanCirculation,1995]
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scatterfngbaek10space
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bywllllr YIplIUI' and tO,
HOurili)
Figura2.2..8Diagramaparailustraro efeitodaatmosferasobreo balançode
radiaçãodo oceano.Os valoressão bastanteaproximadose representam
condiçõesmédias;por exemplo,embaixaslatitudes40% da radiaçãosolar
incidentepodeserabsorvidapelaatmosferasobreosoceanos.
[lhe OpenUniversity- OceanCirculation,1995]
Yto/. I/~~
Calor e Temperatura
Vapor de águae nuvensnão são somenteos únicosfatoresque afetama radiaçãosolar
incidente.A quantidadede radiaçãosolar recebidana superficieda Terrapodetambémser
reduzidapela presençade cinzas, fumaças,poeirase gasesprovenientesde vulcões e
complexosindustriais,bemcomopoeirasadvindasderegiõesáridas.
Analisandoa Figura2.2-8, aTerracomoumtodonãorecebesomenteradiaçãodeondacurta
atravésdo sol,mastambémre-emiteradiaçãodeondalonga.Comosesabe, todosos corpos
comtemperaturaacimade zerograuabsolutoemitemradiação:
(T °c+273=T K c) O·abs=OK =-273°C)
Recordando,quantomaiora temperaturado corpoemquestão maiora quantidadetotal de
energia radiante emitida, e mais radiação do espectroé deslocadaem direção aos
comprimentosde onda maiscurtos.Assim, as superficiesdos oceanose continentesnão
somenteabsorveme refletema radiaçãode onda curtaincidenteque tenhapenetradona
atmosferamas,também,re-emitemradiação,a qualé namaioriade comprimentosde onda
muito maiores,devidoas temperaturasrelativamentebaixasenvolvidas.Esta radiaçãode
ondalongaé tantorefletidadevolta paraa Terrapor nuvens,ou éabsorvidapelasnuvens,
vaporde águae outrosgases - especialmentedióxidodecarbonoe ozônio- todosestesre-
emitemradiaçãodeondalongaemtodasasdireções(Figura2.2-8).
A Figura 2.2-9 mostra que o intervalo de temperatura nos oceanos chega até
aproximadamente40°C, ou aproximadamente30 °C se forem excluídos maresrasos e
restritos.Por outro lado, o intervalo de temperaturaencontradosobre o continenteé
aproximadamentetrêsvezes maior.O armazenamentodetemperaturanosoceanosdepende
datrocacontínuadecalore águaentreoceanoe atmosfera,feitaprincipalmentepor meiodo
ciclo hidrológico.
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
Profa. Sueli Susana de Godoi
15
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temperature
{Ubya,1922)
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~511kg-l (at1Ufface)
Figura 2.2-9 Intervalosde temperaturano mar (direita)e sobrea terra
(esquerda)
[ TheOpenUniversity- Seawater:itscomposition... ) 1995]
CaloreTemperatura
2.3- BALANÇO DE RADIAÇÃO - SISTEMA TERRA / ATMOSFERA
A Figura2.3-1( a) mostraaentradaderadiaçãosolar( linhasólida)eaperdaderadiaçãopara
o espaço( linhatracejada)emrelaçãoa latitude,escaladasegundoa áreadasuperficiedaTerra.
Estediagramaébaseadosomenteemdadossobreo HemisférioNorte.
Conformecolocado,a quantidademédiadiáriadaradiaçãodeentradadecrescedoEquadorpara
os polos.
razão : isto porquebaixaslatitudesrecebemrelativamentegrandesquantidadesde radiaçãoo
ano todo, enquantoem altas latitudeso aumentooblíquo do ângulo dos raios de Sol,
combinadoscomoslongosperíodosescurosdeinverno,resultamembaixasquantidadesmédias
daradiaçãorecebida.
Entretanto,a Terranãorecebesomenteradiaçãodeondacurtaprovenientedo Sol, mastambém
re-emiteradiaçãode longoscomprimentosde onda. Pouco destaradiaçãode ondalongaé
radiadadiretamentepara o espaço;a maioriadestaradiaçãoé absorvidapela atmosfera,
particularmentepelodióxidodecarbono,vapordeáguaepartículasdenuvens.
Consequência:Assima atmosferaé aquecidaporbaixoe elaprópriare-emiteradiaçãodeonda
longapara o espaço.Isto geralmenteocorre atravésdo topo da coberturade nuvensonde
temperaturassãosurpreendentementesimilaresemtodasas latitudes.A intensidadedaradiação
emitidaparao espaçoportantonãovariaacentuadamentecoma latitude;isto pode servisto
atravésdacurvatracejadanaFigura2.3-1(a). A variaçãocoma latitudeda quantidadelíquida
daenergiaderadiaçãoarmazenadaparao sistemaTerra- atmosfera,istoé, a diferençaentrea
curvasólidaea curvatracejadanaFigura2.3-1(a)émostradanaFigura2.3-1(b).
Comrelaçãoaobalançopositivoderadiaçãoembaixaslatitudes,e o negativoemaltaslatitudes,
nãohá evidênciaqueregiõesembaixaslatitud,essejamprontamenteaquecidasou queregiões
emaltaslatitudessejam prontamenteresfriadas.Precisahaverportantoumatransferênciade
energiaemformade calorentrebaixase altaslatitudes,e isto é feitoatravésdos sistemasde
ventosmédiosnaatmosferaesistemasdecorrentesnooceano.
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calore Temperatura
Proja.Sueli Susanade Godoi 16
50' 40' 30" 20" W O" 10" 20" 3D' 40' 50'80'N
latitude(e)
incoming
~
:~'"----------
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150'iD c:~c:
100
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(a)
O" 10"20"30"40'50"60'70' 80'N
100 '1'E
50
~ i O.J:> c:.2 -50ãi ~ -1.00I IIIIIII,I(b) O" 10"20'30'40'50"60"70' 80'N30 2520P l2 15:::l ê!cDCL§ 105
Figura2.3-1 (a) Radiaçãosolarincidente(linhasólida)e a perdade
radiaçãoparao espaço(linhatracejada)emrelaçãoa latitude,escalada
deacordocomaáreadasuperfíciedaTerra.Estediagramaébaseadoem
dadosparaoHemisférioNorte.
(b) O balançoderadiaçãodosistemaTerra-atmosfera(istoéa diferença
.entreascurvassólidaetracejada.)
(C) A temperaturamédiaanualdaságuasdesuperfícieemdiferentes
latitudes;emumadadalatitudehaverááguasdesuperfíciecujas
temperaturasmédiassãomaioresoumenoresqueasmostradaspela
curva.Intervalosanuaismédiosestãorepresentadospelaespessurada
envoltória.
[lhe OpenUniversity- OceanCirculation,1995]
Calor e Temperatura
A curvarepresentadanaFigura2.3-1(c) foi incluídaparacomparaçãocomaquelaesboçadana
Figura 2.3-1(a).Entretanto,comoserávisto posteriormenteas temperaturasda superficiedo
marsãoestimadaspelobalançoderadiaçãonasuperficiedomar,maispropriamentequeaquela
do topodaatmosfera.
Há muitodebatesobrea importânciarelativadaatmosferae do oceanono transportedecalor
emdireçãoaospolos. Acredita-sequeo oceanotenhamaiorcontribuiçãonostrópicose quea
atmosferatenhamaiorcontribuiçãoemlatitudesmaisaltas(Fig.2.3-2).
Sistemasdeventoredistribuemparcialmenteo.calorpelaadvecçãodemassasdear quenteem
regiõesmaisfrias ( e vice versa),e parcialmentepelatransferênciade calor latente,o qual
ocorrrequandoa águaé convertidaemvaporde água,e liberadoquandoo vaporde água
condensaemummeioambientemaisfrio. As tempestadestropicaisconhecidascomociclones
ou furacõessãoresponsáveispor quantidadessignificativasdo transportedecalorpararegiões
afastadasdosoceanostropicaisnaformadecalorlatente.
No cálculodaquantidadedeenergiaradianteabsorvidapelosoceanos,deve-seconsiderarnão
somentea radiaçãode ondacurtaincidente( À <4 /l m) , expressapelo símboloQs, mas
tambéma emissãoda radiaçãodeondalonga,Qb. Para todasas latitudes,as estimativasde
Qs - Qb sãogeralmentepositivas,isto é, os oceanosabsorvemmaisenergiaradiantedo que
emitem(Fig. 2.3-3).Entretanto,emaltaslatitudeso valordeQs - Qb variasignificativamente
coma estaçãodoano.
IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
Profa. Sueli Susana de Godoi 17
B--
:--....
"-
'\
\ alrriOsphere\\\\
~
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O"
Figura2.3-2 - Estimativadascontribuiçõesparao transportedecalorem
direçãoaospolospelooceano( curvasólida) e pelaatmosfera( curva
tracejada),parao HemisférioNorte. A curvacorrespondentea transferência
totaldecaloréasomadas duascurvas(oceano+atmosfera).A estimativafoi
feitaconsiderandoadiferençaentreo balançoderadiaçãonotopodaatmosfera
eosfluxosdecalorsupostamentetransportadospelaatmosfera.
[lhe OpenUniversity- OceanCirculation,1995]
3 4
...
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-1
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Figura2.3-2 - Estimativadascontribuiçõesparao transportede calorem
direçioaospolospelooceano( curvasólida) e pelaatmosfera( curva
tracejada),parao HemisférioNorte. A curvacorrespondentea transferência
totaldecaloréasomadas duascurvas(oceano+atmosfera).A estimativafoi
feitaconsiderandoadiferençaentreobalançoderadiaçãonotopodaatmosfera
eosfluxosdecalorsupostamentetransportadospelaatmosfera.
[lhe OpenUniversity- OceanCirculation,1995]
Figura 2.3-3 O balanço de radiação(Qs - Qb) na superfícieda Terra,em
W/m2, medidonoperíodode01ano.
[ lhe OpenUniversity- OceanCirculation,1995J
Calor e Temperatura
2.4 BALANÇO DE CALOR NOS OCEANOS
2.4.1 TERMOS DO BALANÇO DE CALOR
Sabe-seque a temperaturadaságuasdosoceanosvaria espacialmentee temporalmente.Tais
variaçõessãoindicaçõesde:
- transferênciadecalorpelascorrentes;
- absorçãodaenergiasolar;
- perdapelaevaporaçãoetc...
A magnitudee característicasdasvariaçõesnatemperaturadependem:
- dataxalíquidadoescoamentodeáguaentrandoou saindodeumcorpodeágua;
- ecálculosdestaquantidadesãoreferidoscomoestudosdobalançodecalor.
No estudodobalançodecalorconsidera-se:
Q - representaa taxadeescoamentode calormedidaemJoules/ segundo( Watts)por metro
quadrado,istoé,W/m2,geralmentemedidonoperíodode24horasou 1ano.
Componentesdobalançodecalor:
Qs- taxa daenergiasolarincidenteatravésdasuperficiedomar
Qb- taxalíquidadaperdadecalorpelomarcomoradiaçãodeondalongaparaa
atmosferae espaço.
Qh - taxadeganho/ perdadecaloratravésdasuperficiedomar por condução
calorsensível=> éfunçãodogradienteverticaldetemperaturadoarpróximoa
superficiedomar.
JOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
Profa. Sueli Susana de Godoi 18
CaloreTemperatura
2.4 BALANÇO DE CALOR NOS OCEANOS
2.4.1 TERMOS DO BALANÇO DE CALOR
Sabe-seque a temperaturadaságuasdosoceanosvaria espacialmentee temporalmente.Tais
variaçõessãoindicaçõesde:
- transferênciadecalorpelascorrentes;
- absorçãodaenergiasolar;
- perdapelaevaporaçãoetc...
A magnitudee característicasdasvariaçõesnatemperaturadependem:
- dataxalíquidadoescoamentodeáguaentrandoousaindodeumcorpodeágua;
- ecálculosdestaquantidadesãoreferidoscomoestudosdobalançodecalor.
No estudodobalançodecalorconsidera-se:
Q - representaa taxadeescoamentodecalormedidaemJoules/ segundo( Watts)por metro
quadrado,istoé,W/m2,geralmentemedidonoperíodode24horasou 1ano.
Componentesdobalançodecalor:
Qs- taxa daenergiasolarincidenteatravésdasuperficiedomar
Qb-taxalíquidadaperdadecalorpelomarcomoradiaçãodeondalongaparaa
atmosferae espaço.
Qh - taxadeganho/ perdadecaloratravésdasuperficiedomar por condução
calorsensível=>éfunçãodogradienteverticaldetemperaturadoarpróximoa
superficiedomar.
lOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- CaloreTemperatura
Profa.Sueli Susanade Godoi 18
CaloreTemperatura
Qe - taxadeganho/perdadecalorporevaporação/ condensação- calorlatente=>
importantenaadvecçãovertical(convecção)=>dependedoconteúdodeágua.
Qv - taxadeganho/ perdadecalorporumcorpodeáguadevidoascorrentes,
asquaissãousualmentenadireçãohorizontal,talque,
Qv émedidoatravésdeuma áreaverticalporummetroquadrado.
atransferênciadepropriedadespeloescoamentodacorrenteé denominadade
advecçãoparadistingui-Iadatransferênciadevidoadifusão;
Qv - échamadodetermoadvectivo.
Outrasfontesdeentradadecalor,taiscomo,aquelasprovenientesdointeriordaterra,variações
da energiacinéticadasondasemcalorna arrebentação,calorprovenientedereaçõesquímicas
ounuclearessãopequenasepodemserdesprezadas.
O balançodecalorparaumcorpoparticulardeáguapodeserentãoestabelecidocomo:
+Qs +Qb+Qh +Qe+Qv =QT
(2.4-1)
onde:
QT - éataxaresultantedoganhoouperdadecalordocorpodeáguacomonaFigura2.4-1
a qualtambémfornecevaloresmédiosparaostermosQ.
- Quantidadelíquidadecalor disporuvelparaelevaratemperaturadaágua.
Convençãodesinais:
A Equação2.4-1 é simbólica,mas quando é usadaparacálculosdo balançode calor é
necessárioentrarcomvaloresnuméricosconsiderando:
sinalpositivo- seostermosrepresentamganhodecalorpelaáguadomar
sinalnegativo- seostermosrepresentamperdadecalorpelaáguadomar
JOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- CaloreTemperatura
Profa.Sueli Susanade Gado; 19
(a) (b)TYPICAL VALUES
( W/m2)World
AnnualMonthly
Average
RangeRange
Qs: +150
+80to +200O to+300
Qb: - 50
.small small
Q.: - 90
-50to -160 +20 '0-240
Qh: - 10
Oto- 40+ 5 to - 50
Figura2.4-1(a) Diagramaesquemáticomostrandooscomponentesdobalanço
decalor.
(b)Médiasanuaisglobais típicase intervalosdos valores para
termosdasuperfície.
[ Pickard &Emery, 1990]
LONG-WAVE
RADIATION
FRON EARTH
TO SPACE
---- --- - - -- --- -
'-- - f"i"PHOTOCHEMICÃL- --- - - \:J PROCESSES
SHORT-WAVE
RAOIATlON
FRON SUN
SCATTEREO
TO SPACE
FROM
AIR a
CLOUDS
Figura 2.4-2Distribuiçãode100unidadesda radiaçãodeondacurtaincidente
provenientedoSolparaaatmosferaterrestreemédiasdelongoperíodosobrea
superfícieterrestre. ".
[ Pickard &Emery, 1990J
Calor e Temperatura
Na prática:
Qs- valoressemprepositivos
Qb- valoressemprenegativos
Qh,Qe- valoressãogeralmentenegativos,maspodemser,algumasvezes,positivosem
áreaslimitadas.
Qv - podeserpositivo- entradadeáguaquenteou saídadeáguafria.
podesernegativo- entradadeáguafriaousaídadeáguaquente
Além do mais,como a águaé substancialmenteincompressívelgeralmenteos volumesde
entradae saídado escoamentoestão em balanço,para uma particularregiãodo mar =>
continuidadedevolumeea advecçãodecalorparaambosprecisamserconsideradas.
Notartambémque:
Qs,Qb,Qh e Qe => [W / m2J
e precisamser multiplicadospela áreada superficiedo mar ( m2 ) do corpo de águaem
consideração
Qv - precisaser multiplicadopela áreavertical,atravésda qual a advecçãoocorre,com a
finalidadedeobterataxatotaldo escoamentodecalorQT emWatts(W)
entrandonaágua(+)
ou
saindodaágua( - )
paracausarvariaçãodesuatemperatura.
IMPORTANTE: Se a temperaturado corpodeáguanãovaria,isto nãosignificaquenãohá
trocadecalor.
Isto simplesmentesignificaquea somaalgébricados termosdo lado esquerdoda equaçãodo
balançodecalorénula=>escoamentodeentrada= escoamentodesaída
esteé um exemploonde não se observavariaçãototaldo escoamentocomo tempo, mas
podehavervariaçãoespacial.
JOF - J 202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura
Profa. Sueli Susana de Godoi 20
CaloreTemperatura
APLICAÇÃO DA EQUACÃO DO BALANÇO DE CALOR
Sea equaçãodobalançodecaloréaplicadanosoceanosglobaiscomoumtodo:
Qv - seránulo,porquetodaaadvecçãoéinternaeprecisaquandosomadaseanular
QT e variaçõessazonaismédias- serão nulas,seforemconsideradasmédiassobreumperíodo
deumanoouanos.
A Equação(2.4-1)entãosesimplificapara:
Qs+Qb+Qh+Qe=Qsfc=O
(2.4-2)
onde:
Qsfc- taxadeescoamentodecalornainterfacearI mar
Notarque:
ValorestípicosnaFigura2.4-1(b) paraestesquatrotermossãosomenteaplicadoscomouma
indicaçãodo intervalogeraldosvaloresmédiosanuaise nãoprecisamserusadosparacálculos
específicos.
Deve-senotar, tambémque,a quantidadededadossobreo climaparaos oceanosé limitadae
somentevaloresarredondadossão fornecidos. Os valoresfornecidosna Fig. 2.4-1 (b) são
médiasanuais,sendoquemédiasmensaismostramintervalosmaiores.
Por exemplo:
médiasmensaisdeQs variamamplamentede invernoparaverãoemaltaslatitudes( dezeroa
aproximadamente300W 1m2) , ou seja,emregiõespolares.Entretanto,embaixaslatitudes
vanammenos.
Qh - variano tempoe espaço(local),tendovaloresmáximosno noroestedoAtlânticoNorte e
Norte do Pacífico,masé geralmenteo menortermo.Estepoderepresentarumpequenoganho
decalorsazonalmenteemalgumaslocalidadescosteiras,istoé,ondearessurgênciaocorre:
ressurgência=>afloramentodeáguasfrias
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CaloreTemperatura
Qe - é O segundomaiortermona equaçãodebalançodecaloretambémtemmaioresvariações,
commáximosdeaté 240W / m2. IstoéobservadoàNoroestedoAtlânticoNorteno inverno.
Qb - é o únicotermo,o qualnãovariamuitonotempooulocal.
As variaçõesnostermosdeescoamentodecaloremdiferenteslocaisfornecemascaracterísticas
datemperaturadasregiões.
Paradetalharumpoucomaissobreo termoQs considereumapequenafraçãodaenergiatotal
radiantedo Sol incidindosobrea atmosferada Terra. Na Figura 2.4-2 estafraçãoestá
representadapor 100partesderadiaçãodeondacurtaincidente,dasquais:
* 29partessãoabsorvidasnaatmosferaenuvens;
* 04partessãorefletidasdasuperfíciedomar
* O remanescenteconsisteem48partes,quepenetramnomar:
umapequenaparteé espalhadaparacima, e os constituintesremanescentescompõemo
termoQs dobalançodocalor.
* Das48partes,aproximadamente29partesalcançamo marcomoradiaçãodireta
provenientedo Sol e 19partescomoradiaçãoindiretaespalhada,proveniente
da atmosfera.
Notar,novamente,queestadistribuiçãorepresentaumamédiadelongoperíodosobrea Terra;
sazonalmente.A taxa na qual a energiaprovenientedo Sol alcançaa atmosferaexterioré
chamadade ConstanteSolar, obtidade medidasde satéliteacimada atmosferasuperior,e
encontra-seentre1365- 1372W/m2, perpendicularaosraiosdo Sol.Considerandoaabsorçãoe
espalhamentonaatmosfera,somente50%oumenosalcançaasuperfíciedaTerra.
A Figura 2.4-3 mostraa variaçãocom a latitude,no HemisférioNorte, dos valoresmédios
anuaisde algunsdos componentesda equaçãodo balançodecalor.Os termosdo balançode
calor representadosna Figura2.4-3 são os termosde radiação (Qs e Qb) e os termos
envolvidosna transferênciadiretadecalor entreatmosferae oceano,tantocalor sensível
( Q h) quantocalorlatente( Qe).
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Calor e Temperatura
O termoderadiaçãodeondalonga,Qb, no balançodecalorconsideraa perdadeenergia
líquidapelomaratravésderadiaçãodeondalonga.O valordessetermoé normalmentea
diferençaentrea energiairradiadaparaa atmosfera,provenienteda superficiedo mar,
proporcionalaquartapotênciadesuatemperaturaabsoluta,eaquelarecebidapelomar,através
da atmosfera,a qualtambémirradiaemumataxaproporcionala quartapotênciade sua
temperaturaabsoluta.A radiaçãoprovenientedomarésempremaiorquearadiaçãoproveniente
daatmosferae,portanto,Qbsemprerepresentaumaperdadeenergiaprovenientedomar.
A radiaçãodeondalonga,Qb,é estimadapelocálculodataxadeperdadeenergiadeonda
longaprovenientedo mar,atravésdaLei de Stefan-Boltzmann(Equação2.2-6),edestaé
subtraídaa radiaçãodeonda longaprovenientedaatmosfera.Estaúltimaé medidacomum
radiômetro,conformedescritoporPickard&Emery(1990).
Ostermosrelacionadoscoma perdaderadiaçãonãosealterammuito,tantodiariamenteou
sazonalmenteou com a localização,porquedependemda temperaturaabsoluta,não da
temperaturaemCelsius,eporqueaumidaderelativanãovariamuitosobreomar.Umamudança
sazonalnatemperaturadomarde10°a 20°C poderiagerarumavariaçãoderadiaçãoemitida
proporcionala2944/2834 ouaproximadamente1,15istoé,somente,umaumentode15%. As
pequenasvariaçõessazonaisegeográficasdeQbsecontrastamcomasgrandesvariaçõesdeQs.
Lembrando,Qh estárelacionadocomaperdaouganhodecalorporconduçãoeéfunçãodo
gradienteverticalde temperaturado ar próximoa superficiedo mar;Qe é importantena
advecçãoverticalatravésdaconvecção.No primeirocaso,sea superficiedomarémaisquente
queo ardiretamenteacima,calorpodesertransferidodomarparao ar.Emmédia,asuperficie
domaré maisquentequeasmassasdearsuperiores,talqueháumaperdalíquidadecalordo
marparao ar atravésdecondução.Estaperdanãoérelativamenteimportantenobalançototal
decalordosoceanos,epoderiaserdesprezadasenãofossepelosefeitosdamisturaconvectiva
pelosventos,osquaisremovemo armaisquenteimediatamenteacimadasuperficiedomar.
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Calor e Temperatura
Evaporação,atransferênciadeáguaparaaatmosfera,éoprincipalmecanismopeloqualo mar
perdecalor,aproximadamenteumaordemdemagnitudemaiorqueaperdapelaconduçãomais
misturaconvectiva.Napráticaconsidera-se:
( taxadeperdadecalor)=(calorlatentedeevaporação)x ( taxadeevaporação)
Evaporação,condensaçãoe precipitaçãonãosãoosúnicosmecanismosparatransferênciade
águaatravésdainterfacearemar.Comotodocorpolíquido,asuperficieexteriordooceanoé
definidapor forçasintermolecularesquecausama tensãosuperficial. A tensãosuperficialda
águadomaré menorquea daáguadoce,talquea águadomarquebra-serapidamenteem
espumaao seragitada.Ventosfortescausamestriase espumasnascamadassuperficiais,bem
comoentradadebolhasdear.
Portanto,paraosoceanos,comoumtodo,o calorganhoé igualaocalorperdido,pelomenos
sobreperíodosde muitosanos.O mesmoé verdadeiroemqualquerdadalocalização,e em
média,QT =O
Questão: Comopoderiao valormédiodeQT paraumadadalocalizaçãosernulose,como
mostraaFigura2.4-3,háumganholíquidodecalorparao oceanoemdireçãoaoequadoraté
aproximadamente23oN, eumaperdalíquidaemdireçãoaospolosapartirdaquelalatitude?
A Figura2.4-3nãoincluio termoQvparao transportedecalornointeriordosoceanos.Como
colocadoanteriormente,correntesoceânicastransportamcalordebaixasparaaltaslatitudes;a
perdaadvectivadecaloratravésderegiõesdebaixaslatitudesasseguraqueestasnãoestão
continuamenteseaquecendocadavezmais,enquantoo ganhodecalorpelasregiõesdealtas
latitudesasseguraqueestasnão estãocontinuamentese resfriandocadavez mais.Sobre
penodosdeanos,portanto,atemperaturamédiadaáguatorna-seconstanteeQT é nulo.
Comoum resultadodo transportedecaloremdireçãoaospolospelascorrentesquentes,a
superficiedomar"estágeralmenteacima do pontode congelamentoda água do mar
( ~- 1.9o C), excetoemlatitudesmuitoaltas.Seháformaçãodegelonomar, entretanto,o
balançoderadiaçãoéalteradodrasticamente.
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200
as(total heat gaio)
(total heat Ioss)
O.+Ob+Oh
------Q,
20
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..•..
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Q.~- - - - - - - -, - .~ "--" ---""""
..•.-- ,---------~------~
-- O.
50
-50
O
100
'"
'E
~
'N latitude
Figura 2.4-3 Variaçãocoma latitudenorte dosvaloresmédiosanuais por
unidadede área, para os termosdo balançode calor relacionadoscom a
transferênciadecaloratravésdainterfacear-mar- HemisférioNorte.
[lhe OpenUniversity- OceanCirculation,1995]
CaloreTemperatura
O albedo da superficie- isto é - a porcentagemde entrada( "input")de radiaçãoque é
refletida- aumentaematé 80- 90 % . Assim,Qs é fortementereduzido;entretanto,Qb parao
gelo é o mesmoqueparaágua,e consequentementeQs - Qb é significativamentedinúnuído.
Portanto,umavezqueo gelotenhaseformadoestetendea sermantido.
Por outrolado,temsidoestimadoqueo balançono Mar Ártico é favoravelmentebom,tal que
sea coberturadegelosefunde,o aumentoresultanteno Qs - Qbpoderiamantero marlivrede
gelo. Quandoa coberturade gelo aumenta,perdasde calor porcondução/convecção(Qh)
e por evaporação(Qe) sãoreduzidas,masa temperaturadaságuasdesuperficieé aindamuito
baixaatéum novobalançode calofseratingido. Duranteesteperíodo,o "input"de calor
atravésde advecção(Qv) cresce substancialmente.. Um pequenodecréscimo.inicial na
temperaturada superficieemregiõesqueestãopróximasdo pontodecongelamentopodeter
umefeitoconsiderávelsobreo balançodecalordeambos,a atmosferaadjacenteeemumaárea
muitomaisamplanooceano.
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