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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 Proia. Sueli Susana de Godoi 4 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 5 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 Profa.Sueli Susanade Godoi 6 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 Praia.Sueli Susanade Godoi 11 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) i~ ~~ IQIO E.~ -e0 ••z T:6000K 0.102 QS 1 2 51020 50100 Wave'engthllvrnl Solar radiation sPectrum 16000K) 1m::li11.3iAm Earth'sndiation • /'spectrum 12S5 K)-- •.·5 'I)1520253035/tO45Wave'engthA b.lml Õ l:';;c:• "'g ti-- ~100~ U) (b) ~ •••.•~ iotd("ÀIII =Qio8)..1m ~- 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] ..:lOUOYSKY 1 ~. 1 ' scatterfngbaek10space l-7·unilsl incomingsolarradialion 1100units) 1 ~ ~ool lbIolpIIon in IoweraII'IlO8Phef8 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 hlghest reconled alr temperature {Ubya,1922) 10 o -10 Iower obll8lVBd Umlt, breedlnllrangeof Emperorpenguin {(-1810 -62) Iowest recordedalr -Ialriperature (SIberta.1892) ~ :} sutface maxlmaIR shaItowcoastaI waI8rs avtlI3II8maxlmum sulface 18mperalUr8. Red Sea aVelage surface tempera\ure nearEquator '} averagemlnlmum, for survlvalof reeIcorals -1.33aV8f1lge . Anlarctlc surtace -1.65 mlnlmum. \ Antan:tIcbolIom -1.87 lrIezlngpolnt, ~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 ~ :~'"---------- E -~ ;?:- 150'iD c:~c: 100 .2 .1!i"ª 50 O (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\\\\ ~ -1 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 ... ~ -1 O" 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 IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- CaloreTemperatura Praia.Sueli Susanade Godoi 21 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). IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- CaloreTemperatura Praia.Sueli Susanade Godoi 22 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. IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura Profa. Sueli Susana de Gadoi 23 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. IOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- Calor e Temperatura Profa. Sueli Susana de Godoi 24 200 as(total heat gaio) (total heat Ioss) O.+Ob+Oh ------Q, 20 ;!.------- ..•.. ..•. 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. JOF - 1202- OceanografiaFísica Descritiva- CaloreTemperatura Praia.Sueli Susanade Godoi 25
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