Introdução às Ciências Atmosféricas - Aula2 c

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Energia:
O Aquecimento da Terra e da Atmosfera
Leonardo F. Peres
leonardo.peres@igeo.ufrj.br
METEOROLOGIA GERAL
Roteiro
1. Equilíbrio Radiativo
2. Equilíbrio Radiativo da Terra
3. Interação da Radiação Solar com a Atmosfera
4. Interação da Radiação de Onda Longa com a 
Atmosfera
5. Gases de Efeito Estufa
6. Janela Atmosférica e Nuvens
7. Aquecimento Global
1. Equilíbrio Radiativo
�Se a terra e todas as coisas 
nela estão continuamente 
irradiando energia, porque 
então tudo não se resfria 
progressivamente?
1. Equilíbrio Radiativo
� Q: O que acontece se a energia de entrada (absorção) > 
energia de saída (emissão)?
� Q: O que acontece se a energia de entrada (absorção) < 
energia de saída (emissão)?
� Q: O que acontece se a energia de entrada (absorção) = 
energia de saída (emissão)?
1. Equilíbrio Radiativo
� Se a temperatura de um objeto é
constante com o tempo, o objeto está em 
equilíbrio radiativo resultando numa 
temperatura de equilíbrio radiativo (Te)
� Q: A Terra está em equilíbrio radiativo? (sim a temperatura 
global média da Terra é constante com o tempo)
� Exemplos dia e noite
� A taxa na qual um objeto irradia e absorve energia depende 
fortemente das características da sua superfície, como cor, 
textura e umidade, assim como da temperatura. Exemplo 
objeto preto (asfalto)
� Corpo Negro: Qualquer objeto que é um absorvedor perfeito e um 
emissor perfeito
� O Sol e a Terra comportam-se aproximadamente como um corpo negro
1. Equilíbrio Radiativo
� A Energia obtida pela absorção da radiação de onda 
curta é igual a energia perdida pela emissão de radiação 
de onda longa
� Q: Qual é a temperatura de equilíbrio radiativo da Terra?
2. Equilíbrio Radiativo da Terra
� Para o caso simplificado sem atmosfera a Te = 255K (-18°C);
� A Terra deveria estar congelando!
� Na verdade a temperatura média observada da superfície, é de 
288K (15ºC).
� Por que há então tal diferença? Por que o observado é mais 
quente do que o calculado?
2. Equilíbrio Radiativo da Terra
3. Interação da Radiação Solar com a Atmosfera
� Metade da radiação solar incidente chega a Terra
� Somente 19% é absorvido por gases na atmosfera
� Portanto a atmosfera é praticamente transparente à radiação solar 
� Q: A atmosfera interage de alguma forma com a radiação de onda 
longa emitida pela Terra???
3. Interação da Radiação Solar com a Atmosfera
� Diferente da Terra, a atmosfera não se comporta 
como um corpo negro;
� Absorve alguns comprimentos de onda de radiação e 
é transparente a outros;
� Objetos que absorvem e emitem seletivamente 
radiação como os gases na nossa atmosfera, são 
conhecidos como absorvedores seletivos 
4. Interação da Radiação de Onda Longa com a 
Atmosfera
� Alguma radiação de onda longa emitida pela Terra escapa 
para o espaço
� Alguma radiação de onda longa emitida pela Terra é absorvida 
por gases na atmosfera
� Estes gases posteriormente também reemitem radiação 
seletivamente radiação de onda longa de volta para o chão
� A radiação de onda longa adicional chegando à superfície 
aquece a Terra
� A Terra, por sua vez, reirradia energia infravermelha para cima, 
onde ela é absorvida e por sua vez, aquece a baixa atmosfera.
� Estes gases portanto, absorvem e reirradiam energia 
infravermelha e agem como uma camada isolante em torno da 
Terra, impedindo que parte da radiação infravermelha da Terra 
escape rapidamente para o espaço. 
4. Interação da Radiação de Onda Longa com a 
Atmosfera
� Consequentemente, a superfície da Terra e a baixa atmosfera 
são muito mais quentes do que deveriam ser se esses gases 
absorvedores seletivos não estivessem presentes
� Este efeito é conhecido como “efeito estufa"
� Estes gases que absorvem a radiação de onda longa emitida 
pela Terra são chamados de “gases de efeito estufa"
� Que gases são estes??
5. Gases de Efeito Estufa
� vapor d' água (H2O)
� dióxido de carbono (CO2)
� óxido nitroso (N2O)
� metano (CH4)
� ozônio (O3) 
� vapor d' água (H2O) e dióxido de carbono (CO2) 
absorvedores seletivos mais importantes.
� H2O responsável por 60% do efeito estufa 
atmosférico
� CO2 responsável por 26% do efeito estufa 
atmosférico
� óxido nitroso (N2O), metano (CH4) e ozônio (O3, 
mais abundante na estratosfera) são menos 
importantes
� N2O, CH4 e O3 responsáveis pelos restantes 14% 
5. Gases de Efeito Estufa
� http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter2/42_Selective_Absorption/42.html
� A atuação destes 
gases é semelhante 
à do vidro de uma 
estufa para flores 
5. Gases de Efeito Estufa
Exemplo de Absorvedor Seletivo
� Um outro exemplo de absorvedor seletivo é a neve (e 
o vidro)
� Ela é um pobre absorvedor de radiação solar, mas um 
grande absorvedor e emissor de radiação de onda 
longa
� Durante o dia a neve permanece fria
Exemplo de Absorvedor Seletivo
� Durante a noite a neve emite somente radiação de 
onda longa
� Portanto, a superfície coberta com neve fica bastante 
fria a noite
Exemplo de Absorvedor Seletivo
� Q. Vocês podem explicar o que está acontecendo na 
foto?
6. Janela Atmosférica e Nuvens
� Região entre 8 e 11 µm
� Janela atmosférica
� noites calmas com céu encoberto 
mais quentes do que noites calmas 
com céu limpo
� dias calmos, com céu encoberto, 
são normalmente mais frios do que 
dias calmos, com céu limpo 
6. Janela Atmosférica e Nuvens
Resumo do Efeito Estufa
� O efeito estufa atmosférico mantém a temperatura do 
nosso planeta num nível onde os seres vivos possam 
viver
� O efeito estufa não é somente “uma coisa boa”, ele é
essencial para a vida na Terra
7. Aquecimento Global
� Aquecimento global não é o efeito estufa, mas sim a 
intensificação deste efeito
7. Aquecimento Global
� Cientistas acreditam que a principal causa do aquecimento é o 
CO2, cuja concentração vem aumentando pela queima de 
combustíveis fósseis e desflorestamento.
7. Aquecimento Global
� Feedback ou retroalimentação é um processo no qual uma 
mudança inicial num processo tende: ou 1) a reforçar o processo 
(feedback positivo) ou 2) a enfraquecer este processo (feedback 
negativo).
� Modelos computacionais conhecidos como General Circulation
Models (GCMs - Modelos de Circulação Geral) prevêem feedback 
positivo = aumento das temperaturas dos oceanos aumento da 
quantidade de vapor de água (H2O)
� Há outros feedbacks a serem considerados. Oceanos e Nuvens 
são os 2 maiores e menos entendidos.
� As nuvens podem mudar de área, profundidade e as 
propriedades radiativas. O efeito líquido de todas essas 
mudanças não está muito bem entendido.
7. Aquecimento Global
� Os oceanos cobrem 70% de todo o planeta. A resposta das 
circulações oceânicas, das temperaturas oceânicas e do gelo 
marítimo ao aquecimento global vão determinar o padrão global e 
a velocidade das mudanças climáticas
� Feedback Negativo - Dados de satélite do Earth Radiation Budget 
Experiment (ERBE - Experimento de Balanço de Radiação da 
Terra) sugerem que as nuvens refletem e irradiam para fora mais 
energia do que guardam (a Terra seria mais quente se as nuvens 
não estivessem presentes). Então, um aumento na quantidade 
global de nuvens (se isto estivesse para ocorrer) poderia 
amenizar um pouco do aquecimento promovido pela 
intensificação do efeito estufa atmosférico. Portanto, se as nuvens 
atuarem no sistema climático dessa maneira, elas proveriam um 
feedback negativo nas mudanças climáticas.
7. Aquecimento Global
� Incertezas indiscutíveis existem sobre o impacto que o 
incremento nas quantidades de CO2 e outros gases 
traços terão na intensificação do efeito estufa 
atmosférico, mas......
� Muitos (mas não todos) estudos científicose os modelos 
de clima (GCMs - Modelos de Circulação Geral) 
sugerem que um acréscimo na concentração desses 
gases na nossa atmosfera conduzirá a uma mudança 
climática em escala global durante o próximo século. 
Notavelmente nos padrões mundiais de ventos que 
determinam a produção de tempestades ao longo do 
globo. Por exemplo no aumento do nível médio do mar. 
Tal mudança poderá afetar os recursos hídricos e a 
produção agrícola 
Aquecendo a atmosfera por baixo
8. Radiação Solar Incidente
� Na medida em que a energia solar viaja 
pelo espaço, essencialmente nada interfere 
com ela até que ela atinge a atmosfera.
� A energia solar no topo da atmosfera, 
recebida em um plano perpendicular aos 
raios solares é conhecida como constante 
solar – 1367 Wm-2. Na verdade varia entre 
1365 e 1372 Wm-2 de acordo com a 
distância Terra-Sol.
8. Radiação Solar Incidente
�O que acontece com a radiação 
solar quando ela entra na 
atmosfera?
�Absorvida pelos gases
�Absorvida na superfície da terra
�Espalhada pelos gases e aerossóis?
�Refletida pelas nuvens e pela superfície 
da terra
� Espalhamento = Deflecção da radiação 
devido ao choque com partículas pequenas
� A radiação/luz vai em todas as direções (luz 
espalhada também chamada de radiação difusa)
� Espalhamento Rayleigh:
� Diâmetro da matéria << comprimento de onda da 
radiação eletromagnética
� A quantidade de espalhamento ∝ 1/λ4
�moléculas de ar << comprimento de onda da luz 
visível
� A luz azul é espalhada 5 vezes mais que a luz 
vermelha (0,6/0,4)4 = 5,06.
9. Radiação Solar Incidente e Espalhamento
� Por que o céu é azul?
� As moléculas do ar espalham melhor os 
menores comprimentos de onda.
� Por que céu não é violeta?
� Os comprimentos de onda do azul são emitidos 
com maior intensidade (ver curva de emissão 
solar)
� Os olhos são mais sensíveis ao azul do que ao 
violeta
� A atmosfera absorve mais o violeta
9. Radiação Solar Incidente e Espalhamento
� Por do sol vermelho?
� A luz viaja mais por dentro da atmosfera e os 
pequenos comprimentos de onda são 
espalhados antes que a luz alcance nossos 
olhos.
9. Radiação Solar Incidente e Espalhamento
9. Radiação Solar Incidente e Espalhamento
� Por que as nuvens são brancas?
� As gotas são grandes e espalham todos os 
comprimentos de onda do visível igualmente
� Espalhamento Não Seletivo:
� Diâmetro da matéria >> comprimento de onda da 
radiação eletromagnética
� Todos os comprimentos de onda são espalhados 
de forma igual
10. Radiação Solar Incidente e Reflexão
� Reflexão?
� Difere do espalhamento no sentido que a 
radiação é enviada de volta
� Albedo – porcentagem de radiação que é
refletida pela superfície quando comparada 
com a radiação que a atinge. Refletividade 
da superfície.
� Em média o “albedo da terra” é de 30%.
10. Radiação Solar Incidente e Reflexão
11. Balanço de Energia da Terra
11. Balanço de Energia da Terra
12. Radiação Solar e Aurora
� Existe uma contínua descarga de partículas 
carregadas (íons) proveniente do sol que 
viajam pelo espaço – “vento solar”.
� Altas temperaturas produzem fortes colisões 
adquire velocidade para escapar o campo 
gravitacional do Sol
12. Radiação Solar e Aurora
�Quando estas partículas se movem mais 
perto da terra interagem com nosso campo 
magnético - Campo Magnético da Terra
� Protege a Terra dos ventos solares
12. Radiação Solar e Aurora
� O vento solar comprime o campo magnético na 
direção voltada para o Sol
� O vento solar alonga o campo magnético na 
direção oposta
� A aurora é gerada quando o campo é
comprimido
12. Radiação Solar e Aurora
� (a) uma partícula altamente energizada colide com uma 
molécula de ar na alta atmosfera
� (b) A molécula de ar é excitada – tem mais energia
� (c) A molécula de ar posteriormente libera a energia 
excedente em forma de luz para voltar ao seu estado 
original de energia
12. Radiação Solar e Aurora
12. Radiação Solar e Aurora