Radiação Solar e Atmosfera

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CLIMATOLOGIA E METEOROLOGIA
Radiação Solar
UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL
Prof. ALBERT WELZEL
Camada de OzônioCamada de Ozônio
10 Km
50 Km
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A radiação solar é a energia recebida pela Terra, na forma de ondas
eletromagnéticas, provenientes do Sol.
Constitui-se na fonte primária de energia e sua distribuição variável é a origem de
todos os processos atmosféricos.
RADIAÇÃO SOLAR
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Espectro solar comparado ao Corpo Negro (5523K).
Espectro do corpo negro a 5250oC
Radiação ao nível do mar
Bandas de absorção
Comprimento de onda (nm)
IVVisível
Constante solar Io
Faixas do espectro solar:
a) Ultravioleta (UV) - < 400nm (9%)
b) Visível - >400nm e < 700nm (41%)
c) Infravermelha (IV) - >700nm (50%)
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RADIAÇÃO SOLAR E TERRESTRE
)KT/hc[exp(
hc
L
CN 1
2
5
2
−
=
λλλ
LEI DE PLANCK
W.m-2sr-1/m
Onde:
LλCN – radiância espectral do corpo negro
c – velocidade da luz no vácuo (299.792.458m/s ~ 3x108m/s)
h – constante de Planck (6,6262x10-34Js)
K – constante de Bolzmann (1,3807x10-23J/K)
T – temperatura do corpo negro (K)
λ - comprimento de onda (m)
sr-1 - esferoradiano
(a.)
RADIAÇÃO SOLAR E TERRESTRE
maxE λλλ λ
=∴=
∂
∂
0
LEI DE DESLOCAMENTO DE WIEN
Estabelece uma relação de proporcionalidade inversa entre a Temperatura
de um corpo negro e o comprimento de onda associado ao máximo
relativo da respectiva função de Planck. Ou seja, a derivada, em função
do comprimento de onda, da função de Planck é nula para o comprimento
de onda cuja emitância é máxima.
Portanto, para o comprimento cuja emitância espectral seja máxima,
temos:
mKx,cteTmax
310897582 −==λ
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Considerando que a Terra e o sol emitam como corpos negros a
temperaturas aproximada de 300 e 5770K, aproximadamente,
determine o comprimento de onda de máxima emissão destes astros.
Para a Terra:
λT × 300K = 2,897756×10-3⇒ λT = 9,7×10-6m = 9,7µm
Para o Sol:
λS × 5770K = 2,897756×10-3⇒ λS = 5,0×10-7m = 0,5µm
A Terra tem o pico de emissão em torno de 10µm (infra-vermelho),
enquanto o sol tem o pico de emissão em 0,5µm (região visível do
espectro). Pela lei de Planck, é fácil verificar que a Terra emite
radiação entre 3,0 e 200 µm e o sol emite entre 0,2 e 3,0 µm. Por
este motivo, chamamos a radiação solar de radiação de onda curta e
a radiação terrestre de radiação de onda longa.
LEI DE STEFAN-BOLTZMANN
Estabelece uma relação de proporção direta entre a irradiância emitida
por um corpo negro, já integrada sobre todo espectro eletromagnético, e
a quarta potência da temperatura deste corpo. Se integrarmos a
equação em todo espectro eletromagnético, vamos obter a radiância
integrada, ou seja:
4
32
44
0
3
32
44
0
15
2
1
2
T
hc
K
e
x
hc
TK
dL)T(L
xCN
π
λλ =−
== ∫∫
∞∞
Onde x = hc/λKT. Para determinarmos a emitância (E) devemos integrar
L(T) no hemisfério:
)T(Lddsen)T(LcosE
x
x
πφ =ΘΘΘ= ∫ ∫
2
0
2
0
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LEI DE STEFAN-BOLTZMANN
Substituindo nas equações:
A constante é denominada constante de Stefan-Boltzmann (σ) e esta
equação é reescrita como:
484
52
45
10675
15
2
Tx,T
hc
K
E −==
π
Exemplo:
Determine a emitância radiante total de um corpo negro à temperatura 
do sol (~5770K) e à temperatura da Terra (~300 K).
4TE σ=
ES = 5,67×10-8×57704 = 6,28×107Wm-2 = 62,8MWm-2
ET = 5,67×10-8×3004 = 459,3Wm-2
4125
428
10675
10675
−−−−
−−−
••••=
•••=
Kscmerg,σ
KmW,σ
A intensidade da radiação varia com a quarta potência da temperatura absoluta.
A atenuação da radiação solar, ao atravessar a
atmosfera terrestre, pode ocorrer por três fatores:
• Espalhamento pelas partículas da atmosfera –
moléculas de gases, cristais e impurezas.
• Absorção seletiva pelos componentes
atmosféricos.
• Reflexão e absorção pelas nuvens (espessura,
estrutura e constituição).
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Fatores que determinam os valores de radiação solar
• Ângulo de incidência dos raios solares
• Espessura da atmosfera
• Duração do dia natural
• Duração da insolação
Ângulo de incidência dos raios solares
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Espessura da atmosfera
Duração do dia natural
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Radiação solar
Balanço de energia solar
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Nuvens (albedo ~50%)
• Altostratus
• Cumulus
Nuvens (albedo ~20%)
• Cirrus
É medida principalmente por dois instrumentos:
• Actinógrafo: Qg (radiação global).
Actinógrafo
Medição da Radiação solar
Piranômetro de 
termopar
Tubo solarímetro Piranômetro de fotodiodo 
de silício
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É medida principalmente por dois instrumentos:
• Heliógrafo: mede a insolação diária ou número diário de horas
de brilho de sol – duração da radiação solar direta.
Heliógrafo 
Campell-Stokes
Medição da Radiação solar
Insolação diária – Média anual (horas)
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Radiação solar global diária – Média anual (MJ/m2.dia)
É a porção de radiação solar refletida por um corpo em relação ao 
total da energia incidente.
Expressa-se em % ou em forma de número décimal.
ALBEDO
cebida.de.luz.requantidade
fletida.de.luz.requantidade
Albedo =
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Albedo e Temperatura
albedo 5 a 10%
albedo 10 a 20%
albedo 25 
a 30%
albedo 17 
a 27%
Face sul
Face norte
Inclinação
No hemisfério norte
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A neve refleteA neve reflete
acima de 80%acima de 80%
da radiação UVda radiação UV
Mais de 90% daMais de 90% da
Radiação UVRadiação UV
atravessa as atravessa as 
nuvens clarasnuvens claras
Radiação UV aumentaRadiação UV aumenta
cerca de 4% acerca de 4% a
300 m de altitude300 m de altitude
Nuvens escurasNuvens escuras
bloqueiam 90%bloqueiam 90%
da RUVda RUV
QUEIMADURAQUEIMADURA
BRONZEAMENTOBRONZEAMENTO
DIMINUIÇÃO DA IMUNIDADE:DIMINUIÇÃO DA IMUNIDADE:
LOCAL E SISTÊMICALOCAL E SISTÊMICA
CATARATACATARATA
FOTOENVELHECIMENTOFOTOENVELHECIMENTO
REAÇÕES FOTOTÓXICASREAÇÕES FOTOTÓXICAS
CÂNCER DA PELECÂNCER DA PELEUVA
UVB
O SOL E A PELEO SOL E A PELE
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PROCESSOS E APLICAÇÕES DA RADIAÇÃO SOLAR
DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
RECURSOS RENOVÁVEIS
PRODUÇÃO DE ENERGIA RADIAÇÃO UV
DESTOXIFICAÇÃO
DE EFLUENTES
DESINFECÇÃO 
DE ÁGUA
DESSALINIZAÇÃO 
DE ÁGUA DO MAR
DESTOXIFICAÇÃO
DE AR
RADIAÇÃO SOLAR
3,5% - 8%
DESINFECÇÃO 
SOLAR DE ÁGUA
DESSALINIZAÇÃO 
DE ÁGUA DO MAR
FOTOCATÁLISE SOLAR
ÁGUA
AR
H2O2/UV
H2O2/O3
PROCESSOS 
FOTOCATALÍTICOS
O3/UV
H2O2/O3/UV
OH
TiO2/UV
Fe3+/H2O2/UV
�
FOTOCATÁLISE 
SOLAR
PROCESSOS E APLICAÇÕES DA RADIAÇÃO SOLAR
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FOTOCATÁLISE SOLAR
HOMOGÉNEA (FOTO-FENTON)
VANTAGENS
VELOCIDADE DE REAÇÃO ELEVADA
BARATO, REAGENTES NÃO TÓXICOS
(Fe, H2O2, ÁCIDO, BASE)
λ < 580 nm (RADIAÇÃO SOLAR)
DESVANTAGENS
AJUSTE DO pH (2,6-2,8)
REMOÇÃO DO FERRO
COMPLEXOS PERSISTENTES COM O
FERRO LEVAM À DIMINUIÇÃO DA REAÇÃO
UV/Fe3+/H2O2
•−++ ++→+ OHOHFeOHFe 322
2
•++ν+ ++→+ OHHFeOHFe 2h2
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FOTO-FENTON
COMBINAÇÃO DA FOTOCATÁLISE SOLAR COM TRATAMENTO BIOLÓGICO
O TEMPO DE FOTOTRATAMENTO DEVE SER O SUFICIENTE PARA OBTER UMA 
ELEVADA EFICIÊNCIA NO TRATAMENTO BIOLÓGICO
DIMINUIÇÃO DO TEMPO 
DE FOTOTRATAMENTO
REDUÇÃO DA ÁREA DA 
INSTALAÇÃO
REDUÇÃO DOS CUSTOS
AUMENTO DA EFICIÊNCIA 
GLOBAL DO PROCESSO
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TRATAMENTO DE LIXIVIADOS DE UM ATERRO SANITÁRIO 
PELA REAÇÃO FOTO-FENTON
LIXIVIADO BRUTO
LIXIVIADO BRUTO
LIXIVIADO APÓS UM DIA DE 
EXPOSIÇÃO SOLAR
LIXIVIADO APÓS MEIO DIA 
DE EXPOSIÇÃO SOLAR
TRATAMENTO DE ÁGUAS RESIDUAIS DA COZEDURA DA 
CORTIÇA PELA REACÇÃO FOTO-FENTON
EFLUENTE 
BRUTO
EFLUENTE APÓS 1 DIA DE 
EXPOSIÇÃOSOLAR
EVOLUÇÃO DA COR AO 
LONGO DO 
FOTOTRATAMENTO 
EFLUENTE APÓS 2 DIAS DE 
EXPOSIÇÃO SOLAR
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Balanço de Radiação Solar
Qo – Radiação solar recebida em determinado local em superfície
horizontal no topo da atmosfera. Depende da latitude do local e da
declinação do Sol.
Qd – Radiação solar direta, recebida na superfície terrestre.
Qc – Radiação solar difusa ou do céu.
Qg – Radiação solar global. Representa a radiação solar que atinge a
superfície terrestre.
Qoc – Radiação absorvida pela superfície terrestre.
Qr – Radiação refletida.
Qoc = Qg – Qr
Equação de Angstrom
Estimativa do Balanço de Radiação
)]/([ NnbaQQ og +=
Qg – Radiação solar global (cal/cm2.dia)
Qo – Radiação solar em uma superfície horizontal no 
topo da atmosfera (cal/cm2.dia)
n – Insolação diária
N – Número diário possível de horas de brilho de sol
n/N – Razão de insolação
Valores propostos
a = 0,29 cos φ, onde φ corresponde à latitude do local
b = 0,52