Introdução às Ciências Atmosféricas - Aula2 b

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Energia:
O Aquecimento da Terra e da Atmosfera
Leonardo F. Peres
leonardo.peres@igeo.ufrj.br
METEOROLOGIA GERAL
Roteiro
1. Condução
2. Convecção
3. Radiação
1. Condução
� A transferência de calor por condução ocorre via as 
colisões entre átomos e moléculas de uma substância e a 
subsequente transferência de energia cinética.
� Este mecanismo envolve transferência microscópica
de calor, por átomos ou moléculas.
� A principal característica da condução é a 
transferência de energia sem a simultânea transferência de 
matéria. Há propagação de calor sem transporte da 
substância formadora do sistema, ocorrendo, assim, 
predominantemente nos sólidos.
1. Condução
2 substâncias a diferentes temperaturas separadas por uma barreira que é removida subitamente. Quando a barreira 
é removida, os átomos "quentes" colidem com os átomos "frios". Em tais colisões os átomos rápidos perdem alguma 
velocidade e os mais lentos ganham velocidade. Logo, os mais rápidos transferem alguma de sua energia para os 
mais lentos. 
1. Condução
� Segure uma extremidade de um pino de metal entre seus dedos e coloque a chama 
de uma vela na outra extremidade (veja Fig). 
Por causa da energia absorvida da 
chama, as moléculas do pino vibram 
mais rapidamente. Estas moléculas 
colidem com suas vizinhas, fazendo estas 
se movam mais rapidamente. Estas, do 
mesmo jeito, colidem com suas vizinhas, 
e assim por diante até que as moléculas 
da outra extremidade começam a vibrar 
rapidamente também. Esse rápido 
movimento das moléculas eventualmente 
faz com que as moléculas do seu dedo 
vibrem mais rápido. O calor está sendo 
agora transferido do pino para o seu 
dedo, e ambos, o pino e seu dedo estão 
quentes. Se calor suficiente é transferido, 
você soltará o pino. A transmissão de 
calor de um lado para outro do pino, e 
do pino para os seus dedos, ocorre por 
condução.. 
1. Condução
� A transferência de calor neste sistema sempre flui das regiões mais 
quentes para as mais frias.
� A rapidez com que o calor é conduzido de uma extremidade a outra da 
barra vai depender de fatores tais como: comprimento da barra, diferença 
de temperatura entre suas extremidades (geralmente, quanto maior a 
diferença de temperaturas, mais rápida é a transferência de calor), 
espessura da mesma e do material do qual é feita.
1. Condução
� Materiais diferentes transferem calor por condução 
com diferentes velocidades. Esta é uma medida 
de condutividade térmica.
� Quando os materiais podem passar energia 
facilmente de uma molécula para outra, eles são 
considerados bons condutores de energia.
� Quão bem eles conduzem calor, depende 
primordialmente de como suas cadeias moleculares 
estão estruturalmente ligadas uma às outras.
1. Condução
� A Tabela mostra que sólidos, como metais, são bons 
condutores térmicos.
1. Condução
� Muitas vezes é difícil estimar a temperatura de 
objetos metálicos. Por exemplo, se você pega um 
cano metálico a temperatura ambiente, ele parecerá
muito mais frio do que realmente está, porque os 
metais conduzem o calor para fora da mão muito 
rápido.
� Inversamente, o ar é um condutor muito pobre de 
calor, o que explica porque muitos materiais que são 
isolantes térmicos possuem vários espaços de ar 
dentro deles.
1. Condução
� O ar é um condutor tão pobre de calor, que em 
tempo calmo, o solo quente somente esquenta 
uma fina camada de atmosfera de alguns 
centímetros por condução.
� Todavia, o ar pode carregar esta energia 
rapidamente de uma região para outra. Como 
é que este fenômeno ocorre então?
2. Convecção
� Convecção é o fluxo de calor devido a um movimento 
macroscópico, carregando partes da substância de 
uma região quente para uma região fria.
� Este mecanismo não envolve transferência 
microscópica de calor, por átomos ou moléculas, 
como na condução.
� Este tipo de transferência térmica aparece em fluídos 
(líquidos e gases)
2. Convecção
� Em líquidos e gases também ocorre transferência de 
calor por condução, porém nestes o aumento da 
temperatura provoca uma alteração na densidade do 
fluido na parte mais quente, o que provoca uma 
movimentação macroscópica. Esse deslocamento 
que surge entre a parte do fluído mais quente e a 
mais fria aumenta a velocidade de transporte de 
energia térmica.
2. Convecção
� Um bom exemplo de convecção é o aquecimento de uma panela de água. Quando a 
chama é ligada o calor é transferido primeiro por condução a partir do fundo da 
panela. Em um certo momento, a água começa a fazer bolhas - estas bolhas são de 
fato regiões de água quente subindo para a superfície, levando calor da parte quente 
para a parte mais fria no topo, por convecção. Ao mesmo tempo, a água mais fria, 
mais densa, do topo afundará, e será subsequentemente aquecida. Estas correntes de 
convecção são ilustradas na figura abaixo
2. Convecção
� Convecção ocorre naturalmente na atmosfera. Certas áreas da superfície da Terra 
absorvem mais energia solar do que outras. Consequentemente, o ar perto da superfície é
aquecido diferencialmente. As moléculas de ar adjacentes a estas superfícies quentes, 
ganham energia extra por condução. O ar aquecido se expande, ficando menos denso que 
o ar mais frio a sua volta. O ar aquecido é levantado e ascende. Desta maneira, grandes 
bolhas de ar ascendem e transferem energia para longe da superfície. O ar frio, mais 
pesado, flui em direção a superfície para repor o ar ascendente. Este ar frio se torna 
quente, então ascende e o ciclo se repete. Em meteorologia, esta troca vertical de calor é
chamada convecção, e as bolhas de ar ascendente são conhecidas como térmicas.
2. Convecção
� As térmicas geram movimentos turbulentos próximos à superfície 
– percebidos durante a decolagem e aterrissagem das aeronaves.
� Qual é a melhor hora para a formação das térmicas?
� Caso a térmica seja vigorosa, ela irá formar nuvens e em algumas 
vezes podem crescer dentro de tempestades.
2. Convecção
� O movimento horizontal da circulação (chamado vento) carrega 
com ele propriedades do ar da sua área de origem. A 
transferência dessas propriedades por movimento horizontal do ar
é chamada advecção.
� Por exemplo, o vento soprando por sobre um corpo d'água, 
carregará consigo vapor d'água da superfície de evaporação, 
levando-o para outras partes da atmosfera. Se o ar se resfria, o 
vapor d'água talvez se condense em gotas de nuvem e libere calor 
latente. Neste sentido, o calor é advectado (carregado) pelo vapor 
d’água para longe com o vento.
� Anteriormente, vimos que este é um importante processo de 
redistribuição da energia térmica na atmosfera.
3. Radiação
� A transmissão de energia através do espaço é chamada radiação. 
Este processo de transmissão do calor não depende da presença 
de um meio material, podendo ocorrer através do vácuo. 
� A energia transmitida deste modo é denominada energia radiante 
e apresenta-se na forma de ondas eletromagnéticas.
� A energia solar, por exemplo, chega até nós dessa forma.
� Utilizando os três mecanismos de transferência de energia, mostre 
com um diagrama como uma tempestade pode se formar
3. Radiação
� As ondas eletromagnéticas não precisam de moléculas para se 
propagarem. No vácuo, elas viajam a uma velocidade constante 
de 300000 km por segundo - velocidade da luz c.
� Características das ondas eletromagnéticas
λ - comprimento de onda é a 
distância medida ao longo da 
onda, de uma crista a outra
f – frequência número de picos 
passando por um ponto fixo no 
espaço por unidade de tempo
3. Radiação
� Características das ondas eletromagnéticas
A onda obedece a uma equação geral:
c =νλνλνλνλ
c é constante (300000 km/s)
Frequência medida em ciclos por 
segundo (Hz)
3.Radiação
� Energia:
E = hνννν
onde:
E – energia [Joules (J)]
h - constante de Planck [6.626 x 10-34Js]
νννν - frequência [s-1]
E = hc/λλλλ
Portanto a energia é inversamente proporcional ao seu comprimento 
de onda. Quanto maior o comprimento de onda menor será a energia. 
3. Radiação
� A Fig. mostra alguns dos diferentes comprimentos de onda da radiação.
3. Radiação
� A Fig. mostra alguns dos diferentes comprimentos de onda da radiação.
3. Radiação
� Algumas ondas tem um comprimento extremamente pequeno.
� Para medir esses comprimentos pequenos, introduzimos uma 
nova unidade de medida, chamada micrômetro (abreviação µm). 
que é igual a um milionésimo do metro (m).
1 micrômetro = 0,000001 m = 10-6 m
� O comprimento de onda médio da luz visível é por volta de 
0,0000005 metros = 0,5 micrômetros. A altura média de uma letra 
de página de livro é da ordem de 2000 micrômetros, ou 2 
milímetros.
� As ondas longas carregam menos energia do que as curtas 
3. Radiação
� A radiação ultravioleta carrega mais energia 
do que um fóton infravermelho. De fato, a 
radiação ultravioleta tem energia suficiente 
para produzir queimaduras solares e 
penetrar nos tecidos da pele, ás vezes 
causando câncer. Como vimos no Cap. 1, é
o ozônio na estratosfera que nos protege da 
maioria desses raios nocivos.
3. Radiação
� Para melhor compreender o conceito de 
radiação, aqui estão alguns conceitos e fatos 
importantes para lembrar:
1) Todas os objetos (cuja temperatura esteja acima do zero 
absoluto), não importa quão grande ou pequeno ele seja, emite 
radiação. O ar, seu corpo, as flores, as árvores, a Terra, as 
estrelas, estão todos emitindo um amplo espectro de ondas 
eletromagnéticas. A energia tem origem na rápida vibração dos 
elétrons, bilhões dos quais existem em cada objeto.
2) Objetos quentes emitem mais radiação do que objetos frios.
3) Qual é a quantidade de radiação emitida por um objeto e em 
que comprimento de onda esta emissão se dá? Precisamos 
definir o conceito de Corpo Negro
3. Radiação
� Corpo Negro: Qualquer objeto que é um emissor perfeito e um 
absorvedor perfeito
� Objeto não precisa ter cor negra
� O Sol e a Terra comportam-se aproximadamente como um corpo 
negro
3. Radiação
� Lei de Planck: descreve a radiação emitida por um 
Corpo Negro. Esta radiação depende da temperatura e 
do comprimento de onda
3. Radiação
3. Radiação
� Lei de Stefan-Boltzmann: integrando a Lei de Planck 
em todos os comprimentos de onda e em todas as 
direções, obtemos a expressão para a taxa total de 
emissão de energia radiante de um corpo negro:
� Stefan-Boltzmann diz que a emissão total realmente 
depende fortemente da temperatura do corpo! É
proporcional a quarta potência da temperatura do corpo
3. Radiação
� Lei de Win: a) a maioria dos objetos emitem em diferentes 
comprimentos de onda; 2) há um comprimento de onda onde um 
objeto emite o máximo valor de emissão. A Lei de Win fornece o 
comprimento de onda de máxima emissão de um corpo negro. 
Derivada da função de Planck igualada a zero e resolvida para o 
comprimento de onda
3. Radiação
� Calcule utilizando a lei de Stefan-Boltzmann a taxa total 
de emissão de energia radiante do Sol e da Terra:
� Sol: T = 6000 K
� Terra: T = 288K
� Se dobrarmos a temperatura de um objeto, quanto mais 
de radiação ele irá emitir?
3. Radiação
� Lei de Win: a) a maioria dos objetos emitem em diferentes 
comprimentos de onda; 2) há um comprimento de onda onde um 
objeto emite o máximo valor de emissão. A Lei de Win fornece o 
comprimento de onda de máxima emissão de um corpo negro. 
Derivada da função de Planck igualada a zero e resolvida para o 
comprimento de onda
3. Radiação
� Utilizando a lei de Win calcule:
� Comprimento de onda de máxima emissão para o Sol?
� Comprimento de onda de máxima emissão para Terra?
� Suponha que o seu corpo esteja com uma temperatura 
de 90°F. Quanto seu corpo irá emitir de taxa total de 
energia radiante em W m-2? Qual é o comprimento de 
onda de máxima emissão do seu corpo?
1. Teoria
� Temperatura do Sol é de 6000 K:
� O pico de emissão:~ 0,5 µµµµm na 
região visível do espectro;
� Radiação solar significante ocorre 
entre 0,3 e 2 µµµµm;
� Radiação solar: ondas curtas;
� Temperatura média da Terra é
de 288 K:
� O pico de emissão:~ 10 µµµµm na 
região do infravermelho;
� Radiação terrestre significante 
ocorre entre 5 e 25 µµµµm;
� Radiação terrestre: ondas 
longas.
1. Teoria
� Se a temperatura do Sol fosse o dobro qual seria o comprimento 
de onda de máxima emissão?
� Se a temperatura do Sol fosse a metade qual seria o comprimento 
de onda de máxima emissão?
3. Radiação
� Espectro eletromagnético emitido pelo Sol
� 44% da radiação do Sol se concentra na região visível;
� Comprimento de ondas menores que violeta 0.4µm são ultravioleta. O Sol emite 
somente cerca de 7% da sua radiação total nesta faixa do espectro.
� Comprimentos de onda maiores que 0.7µm são conhecidos como infravermelho 
próximo.
� Aproximadamente 37% da energia solar é radiada entre 0.7 e 1.5µm, com 
somente 12% na região acima de 1.5µm.
•Violeta: 0.4 - 0.446 mm
•Azul: 0.446 - 0.500 mm
•Verde: 0.500 - 0.578 mm
•Amarelo: 0.578 - 0.592 mm 
•Laranja: 0.592 - 0.620 mm
•Vermelho: 0.620 - 0.7 mm
Observando uma Imagem VIS e IR …
3. Radiação