7- Balanço de energia

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UFRB - Universidade Federal do Recôncavo da Bahia
Disciplina:
GEOLOGIA GERAL
Professor:
Thomas Vincent Gloaguen – tgloaguen@gmail.com
Geodinâmica externa
1 – Energia / atmosfera / oceanos
Introdução
Geodinâmica externa
conjunto dos processos dinâmicos 
ocorrendo na superfície terrestre.
Corresponde à dinâmica das envelopes terrestres 
externas: atmosfera e hidrosfera
Quais os fatores de formação do relevo?
T E C T
Ô N I C A
 
G L O
B A L
Quais os fatores de formação do relevo?
A G U
A L I Q
U I D A
Geodinâmica externa
ou
Conhecer os processos a origem da formação das paisagens
Quais os fatores de formação do relevo?
� ELEVAÇÃO DOS TERRENOS - Para formar relevo, tem que haver 
SOERGUIMENTO dos terrenos.
� Tectônica das placas. Colisão ���� formação de cadeias de montanhas / Subducção 
���� formação dos arcos vulcânicos
� Isostasia. Soerguimento das massas continentais durante a erosão das rochas
� ABAIXAMENTO DOS TERRENOS Compensação da elevação dos 
terrenos = INTEMPERISMO
� Energia potencial - Ex: queda de blocos - Origem: massa da Terra-gravidade
� Energia química – Ex: oxidação - Origem: ligações atômicas
� Energia mecânica – Ex: força do vento e das correntes – Origem: energia solar 
C
A
U
S
A
S
C
A
U
S
A
S
Introdução
Dinâmica da atmosfera e do oceano – PORQUE?
Onde tem movimento, há energia� Qual a fonte de energia?
Ex: carro – a energia química no combustível se transforma em energia 
cinética
tectônica das placas– energia térmica (radioativa e energia residual da 
acrescão inicial) leva ao movimento da litosfera
Fonte de energia à origem da dinâmica das envelopes externas 
= fonte externa = SOL
Introdução
Globalmente, a Terra está em equilíbrio energético
MAS
Localmente, há variabilidade da temperatura dos 
oceanos e atmosfera, devido à desigualdade da repartição 
das radiações solares e da inércia dos oceanos
Esta desigualdade é o motor das circulações atmosférica e 
oceânicas, o regulador dos climas
Introdução
1) Estudo do balanço energético global do 
planeta
2) Estudo da variabilidade local das 
circulações atmosféricas e oceânicas
O balanço energético
A Terra recebe energia solar, como todos os outros corpos do sistema 
solar, na forma de ondas eletromagnéticas. 
A quantidade de energia recebida por m2 na alto da atmosfera é
chamada constante solar.
Constante solar = 1360 watts/m2 na Terra
Função de 1/r2, onde r é a distancia ao sol
A Terra está em equilíbrio térmico?
O balanço energético
Se a Terra fosse em excedente térmico (energia recebida > 
energia emitida), a Terra ia aquecer. No caso contrário 
(energia recebida < energia emitida), a Terra resfriaria.
Então,
o sistema pode ser considerado no estado estacionário do 
ponto de visto energético � toda a energia recebida é
emitida.
Considerando que a temperatura do planeta é homogênea 
e constante, descrevemos o balanço energético:
O balanço energético na ausência de atmosfera
CSE dtotal .=
Energia recebida (Etotal) Energia recebida por unidade de superfície
2
. C
S
CSE
t
d
total ==
Etotal Erefletida Eretransmitida
Sd = superfície diametral
St = superfície total recebendo E
C = constante solar
espectro 
da luz solar
recebidarefletida EE .α=
Energia emitida = energia refletida + energia retransmitida
1) Reflexão da energia na superfície do planeta
Capacidade de reflexão = albedo (α) � α = 0,3 para a superfície terrestre
2) O resto é absorvido pela superfície que se aquece e retransmitido 
recebidaabsorvida EE ).1( α−=
O balanço energético na ausência de atmosfera
O balanço energético na ausência de atmosfera
4
.TE idaretransmit σ=
4
T.σ)α1.(
2
C
=−
Sabe-se que a energia retransmitida depende da temperatura da 
superfície (lei de Stefan-Boltzmann)
Esta energia absorvida vai ser retransmitida (resfriamento da superfície)
Temos então
Assim é possível calcular a temperatura da superfície de um corpo do 
sistema solar
O balanço energético na ausência de atmosfera
Venus Lua Terra Marte 
Temperatura média no solo (°C) 450 ° -20 ° 14 ° -25 °
Pressão no solo (Pa) 9.106 0 1.105 60 
Raio médio (km) 6050 1738 6378 3398 
Distancia ao Sol (106km) 108,2 149,6 149,6 227,7 
σ (W m-2 K-4) 5,67.10-8 5,67.10-8 5,67.10-8 5,67.10-8
Energia retransmitida (watt/m2) 455 238 238 103
Temperatura teórica (°C) 26,1 -18,6 -18,6 -66,8
Valores calculados
O balanço energético
Temperaturas próximas da temperatura da lua
Donde vem a diferença?
Fluxo geotérmico? 
Podemos observar uma relação entre o erro de 
temperatura e a pressão no solo.
Qual a origem de pressão na superfície de um planeta?
NÃO � FG = 0,06 W m-2 ,ou seja, 
5000 menor do que a energia solar.
• A atmosfera provoca um 
efeito estufa
Ondas eletromagnéticas que 
atingem a superfície são 
retransmitidas na forma de 
ondas infra-vermelhas 
(maior comprimento de 
onda).
Estas ondas infra-vermelhas 
são absorvidos pelas 
moléculas atmosféricos tais 
como H2O ou CO2, que são gazes a efeito estufa. Estes 
gazes re-emitam energia 
em direção do planeta, 
provocando um aumento de 
temperatura
O balanço energético na presença de atmosfera
A atmosfera
ComposiComposiçção da atmosferaão da atmosfera
Constituintes cuja composição não varia com altitude
Gás Porcentagem (volume) 
Nitrogênio (N2) 78.084 
Oxigênio (O2) 20.948 
Argônio (Ar) 0.934 
Dióxido de carbono (CO2) 0.035 
Neônio (Ne) 0.002 
Hélio (He) 0.0005 
Metano (CH4) 0.0002 
Constituintes cuja composição varia 
Gás Porcentagem (volume)
Água (H2O) 0 à 7 
Dióxido de enxofre (SO2) 0 à 0.0001 
Ozônio (O3) 0 à 0.00001 
A atmosfera
Comprimento de onda (µm)
Energia
Energia solar no topo da atmosfera
Energia solar no nível do mar
Energia refletida na atmosfera
Energia absorvida por gases
Energia (unidade arbitraria)
Visível
ComposiComposiçção ão 
da atmosferada atmosfera
Alem do efeito estufa, os 
gases, principalmente O3, 
absorvem na estratosfera 
boa parte dos raios UV.
A atmosfera
Estratificação
Qual o parâmetro que diferencia os 
estratos?
� temperatura
O que provocam as variações de 
temperatura:
na troposfera ?
���� resfriamento do ar 
quando se afasta da superfície 
terrestre aquecida pelas radiações 
solares
na estratosfera ?
���� efeito estufa pelos gases e 
absorção do UV solares pelo O3
na mesosfera ?
� diminuição da pressão = 
diminuição de concentração 
de gases
na termosfera ?
� atividade solar (300 a 1600oC)
Mt Everest
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
P
r
e
s
s
ã
o
 
(
b
a
r
s
)
Termosfera
Mesopausa
Mesosfera
Estratopausa
Estratosfera
Tropopausa
Troposfera
A
l
t
i
t
u
d
e
 
(
k
m
)
Temperatura (oC)
Concentração máxima de ozônio
Estrutura da atmosferaEstrutura da atmosfera
Repartição do fluxo solar efetivo na superfície do planeta (o fluxo efetivo é o valor do 
fluxo chegando no solo menos o do fluxo refletido no mesmo comprimento de onda) 
Temperaturas médias registradas na superfície do planeta.
- Azul : -36 a -12oC
- Azul claro : -10 a 0oC
- Amarelo : 2 a 14oC
- Laranja-vermelho : 16 a 34oC
- Vermelho escuro : 36 a 40oC
REGULAÇÃO TÉRMICA DO PLANETA
TEMPERATURAS RELATIVAMENTE CONSTANTES
Porque não há acúmulo de calor no Equador ?
Regulação térmica
A variação de incidência das radiações solares leva ao 
desequilíbrio no balanço de energia na superfície 
terrestre se comparado com um objeto de superfície 
plana.
As diferenças de temperaturas gera gradientes térmicos. 
Ocorrem então movimentos de massa para regulação da 
energia nasuperfície terrestre.
�Formação de ventos
�Formação de correntes marítimas
As variações locais de fluxos energéticos provocam variações 
climáticas e circulações atmosféricas e oceânicas
Circulação atmosférica
• Como explicar a dinâmica das massas de ar?
1) Aquecimento do ar na base da troposfera pela energia 
retransmitida
2) Resfriamento do ar no topo da troposfera por dissipação 
de calor
Como o ar mais frio é mais denso, ele tem tendência a 
descer.
� CriaCriaçção de cão de céélulas de conveclulas de convecçção na TROPOSFERAão na TROPOSFERA
Circulação atmosférica
Pólo N
Célula polar boreal
Célula polar austral
Célula das 
latitudes médias
Célula 
equatorial 
boreal
(de Hadley)
Célula 
equatorial 
austral
Célula das 
latitudes médias
ventos oeste
ventos leste
ventos leste
ventos oeste
alizés
alizés
Pólo S
Zona 
de 
convergência 
intertropical
Circulação atmosférica
Circulação atmosférica
Circulações estratosféricas?
As massas de ar, chegando na tropopausa, descem de novo na 
troposfera
�Não há movimentos importantes em cima da tropopausa.
Somente os círus dão uma idéia da direção do ar na estratosfera, ou 
a dispersão de partículas durante erupções vulcânicas intensivas 
que ultrapassam a troposfera.
Circulação atmosférica
As forças agindo no ar são:
1) Força de pressão: causado pela diferença de pressão
2) Força de Coriolis: causado pela rotação da Terra
onde
ρ = massa volumétrica do ar (1,2 kg.m-3)
dP/dx = gradiente de pressão
Ω = velocidade angular da rotação da Terra (rad.s-1)
Θ = latitude
vh = velocidade horizontal do ar
Circulação atmosférica
EXERCICIO
Tempestade no 
Atlântico Norte
Onde estão os ventos 
fortes? 
Calcular a velocidade 
do vento nos locais 
A, B, C
A
B
C
1000 km
A ≈ 220 km/h
B ≈ 65 km/h
C ≈ 30 km/h
Identificação dos nuvens
Interface atmosfera/oceano
• Impacto da atmosfera no oceano
� Radiações solares filtradas ou não – impacto térmico 
� Precipitações - impacto hidrológico
� Vento - impacto mecânico 
• Diversidade climática leva a grandes variações de:
� aquecimento: água mais ou menos quente
� precipitações : água mais ou menos salgada
� vento: água mais ou menos agitada
• Oceano funciona com regulador das variações climáticas
COMO?
Interface atmosfera/oceano
Diferenças entre atmosfera e oceano
Porque o oceano é considerado regulador?
1) Massa volumérica - INERTIA
Oceano: 1027 kg.m-3
Atmosfera: 1,03 kg.m-3
� Regulador espacial: menor variabilidade espacial das correntes no 
oceano do que na atmosfera (ex: movimentos atmosféricos de alguns 
milhares de km são reduzidos a algumas centenas no oceano)
� Regulador temporal: resposta muito longa do oceano a uma variação 
rápida da atmosfera (ex: movimento do oceano durante alguns meses após 
uma depressão atmosférica de alguns dias). Uma partícula oceânica no 
oceano profundo pode levar 1000 anos para passar do Atlântico norte 
ao Pacífico norte. Na superfície do oceano, existem ondas que levam 
dezenas de anos para atravessar o Pacífico.
Interface atmosfera/oceano
Diferenças entre atmosfera e oceano
Porque o oceano é considerado regulador?
1) Densidade
Oceano: 1027 kg.m-3 �Regulador espacial
Atmosfera: 1,03 kg.m-3 � Regulador temporal
2) Material
Calor específico da água elevado 
Água = 1 cal g-1 OC-1
Ferro = 0,11 cal g-1 OC-1
Madeira = 0,42 cal g-1 OC-1
� regulador térmico pois precisa de muita energia para aquecer
� estocagem de energia (calor) por muito tempo
Circulações superficiais
Seguem globalmente as circulações atmosféricas (setas cinzas), 
mas estão bloqueadas pelos continentes
Circulações oceânicas
Velocidade: alguns cm a 2m por segundo
Os cinco giros 
oceânicos
Circulações oceânicas
COMO EXPLICAR?
Circulações profundas
A
B
EPNA: água profundo norte-atlântica
EAF: água de fundo atlântica
Circulações oceânicas
Circulações profundas
• As circulações do oceano profundo são circulações termohalinas 
(depende da temperatura e salinidade)
A - Resfriamento da água nas latitudes altas (perto dos pólos) + 
aumento da salinidade do mar pela formação de gelo ���� água 
mais densa���� afunda
Está água circula no fundo do Atlântico (EPNA = água 
profunda norte-atlântica)
B - A aumento da temperatura diminui a densidade da água que volta 
a superfície
• Se não houvesse essa circulação, as temperaturas seriam maior 
na região equatorial e mais frias nas regiões temperadas.
Circulações oceânicas
A velocidade das águas profundas pode ser estimada a partir desta figura
���� alguns mm por segundo