7 Balanço de Radiação e de Energia

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Balanço de Radiação e de Energia
Universidade de Cuiabá
Prof. Dr. Jonathan Willian Zangeski Novais
jonathanzangeski@gmail.com
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Balanço de Radiação
Saldo de toda radiação que entra e sai
da atmosfera terrestre.
Energia que entra 
Energia que sai
Saldo de Radiação
Resumo do Balanço de Energia Radiante
Ao atravessar a atmosfera a radiação solar interage com seus constituintes, resultando em modificações na quantidade, na qualidade e na direção dos raios solares, devido aos processos de absorção e difusão da radiação solar.
Radiação Solar Recebida (100%)
Retrodifundida pelo Ar
Refletida pelas Nuvens
6%
Absorvida por H2O, CO2, poeira, O3
3%
Absorvida por Nuvens
6%
20%
4%
Refletida
pela Superfície
51%
Absorvida pela Superfície
ESPAÇO
ATMOSFERA
OCEANO – TERRA
Radiação Solar Refletida
6%
38%
26%
Radiação Infravermelha Emitida para o Espaço
15%
Absorção por H2O e CO2
Emissão por H2O e CO2
Emissão pelas Nuvens
Calor Sensível
Calor Latente
21%
Remissão da
Radiação Infravermelha
pela Superfície
3
Balanço de Radiação em Superfícies Vegetadas
Qo = radiação solar no topo da atmosfera; Qg = radiação solar na superfície;
r.Qg = parcela da radiação solar refletida pela superfície (r = albedo);
Qatm = radiação re-emitida pela atmosfera; Qsup = radiação re-emitida pela superfície.
Qo
Qg
Qsup
r.Qg
Qatm
Rn = Saldo de Radiação na Superfície
(balanço entre as entradas e saídas de radiação de ondas curtas (Qg e r.Qg) e
ondas longas (Qatm e Qsup) na superfície).
Topo da
Atmosfera
Superfície
As figuras apresentadas exemplificam essa lei. Observe na fig. acima que quanto menor a temperatura, maior o comprimento de onda de máxima emissão. Isso resulta em que os comprimentos de onda emitidos pela Terra
(T = 300K) sejam considerados “ondas longas”, enquanto que os comprimentos de onda emitidos pelo Sol (T = 6000K) sejam considerados “ondas curtas”.
Leis da Radiação
Lei de Wien
Essa lei estabelece que o produto entre a temperatura absoluta de um corpo e o comprimento de onda de máxima emissão energética é uma constante.
(λmáx = 0,5 μm = 500 nm = Ondas Curtas)
(λmáx = 10 μm = 10.000 nm = Ondas Longas)
Lei de Stefan-Boltzman
Essa lei estabelece que todo corpo acima de 0K emite energia radiativa e que a densidade de fluxo dessa energia emitida é proporcional à quarta potencia da temperatura absoluta desse corpo.
ε = emissividade do corpo (0,95 a 1,00)
σ = constante de Stefan-Boltzman
σ = 5,67.10-8 W/m2K4 = 4,903.10-9 MJ/m2dk4
A figura abaixo ilustra graficamente as leis de Stefan-Boltzman e Wien. Nesta figura, 4 corpos com temperaturas crescentes (T1 < T2 < T3 < T4) apresentam potência emitida crescente (Q1 < Q2 < Q3 < Q4) e comprimento de onda de máxima emissão decrescente (λ1 > λ2 > λ3 > λ4).
O corpo humano também emite energia, como podemos ver na figura ao lado, onde as áreas vermelhas indicam as regiões de maior emissão.
Associando-se as leis de Wien e de Stefan-Boltzman entende-se as diferenças entre as radiações emitidas pelo Sol e pela superfície terrestre. O Sol emite ondas curtas com maior emissão em torno de 500nm e a Terra emite ondas longas com maior emissão em torno de 10000nm.
Em meteorologia, a parcela do espectro da radiação solar global, compreendida na faixa de 200 a 3.500 nm é denominada de Radiação de Ondas Curtas. Um bom radiômetro lê entre 300 a 3.000 nm.
O espectro de emissão da superfície da terra está contido dentro dos limites de 5.000 a 100.000 nm e esse intervalo é chamado em meteorologia de Radiação de Ondas Longas. Um bom pirgeômetro lê entre 5.000 e 50.000 nm.
Espectro da Radiação Emitida pelo Sol
Radiação no Topo da Atmosfera
Espectro do Corpo Negro a 5250oC
Radiação ao Nível do Mar
Absorção das Bandas
Comprimento de Onda (nm)
Irradiância Espectral (W m-2 nm-1)
UV
Visível
Infra-vermelho
Espectro real da radiação solar antes da interação com a atmosfera, e após o processo de absorção, causado pelos principais constituintes absorvedores da atmosfera.
Espectro da Radiação Emitida pela Terra
Emissão efetiva da superfície após atravessar a camada atmosférica adjacente mostrando as bandas de absorção dos componentes CO2, H2O e O3.
Saldo de Radiação
Balanço de Ondas Curtas (BOC)
Balanço de Ondas Longas (BOL)
Saldo de Radiação (Rn)
Qo
Qg
Qsup
r.Qg
Qatm
Topo da
Atmosfera
Superfície
Albedo
r é denominado de albedo ou coeficiente de reflexão da superfície.
O valor do albedo varia com as características ópticas da superfície.
Valores Típicos de Albedo
Fonte: http://www.nasa.gov/images/content/105626main_global_spectral_albedo_med.jpg
Balanço de Ondas Longas (BOL)
A superfície do solo, recebendo radiação solar direta e difusa, irá se aquecer. Dessa maneira, emitirá radiação obedecendo a Lei de Stefan-Boltzmann que diz que a emissão radiante de um corpo é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta do corpo.
em que ε é a emissividade (≈ 1) (é a relação que existe entre a emissão do corpo considerado e a do corpo negro), δ é a constante de Stefan-Boltzman (0,827 10-10 cal cm-2 min-1 K-4) e Ts é a temperatura da superfície (K)
A absorção que o vapor d’água, o gás carbônico e os demais gases de efeito estufa realizam irá aquecer a atmosfera, a qual emitirá para a supefície.
Uma eficiente estimativa do balanço de ondas longas deve-se a Brunt. Ele admitiu que no equilíbrio térmico,
em que Ta é a temperatura média radiante do ar à sombra (K) medida em abrigo meteorológico. Essa aproximação, embora seja fonte de erro na estimativa do BOL, permite utilizar dados normalmente obtidos em postos meteorológicos. Portanto,
Brunt relacionou a radiação de onda longa e a temperatura à quarta potência com a pressão atual de vapor d’água (ea), resultando em
Rearranjando,
Substituindo Qatm na equação do balanço de ondas longas.
A equação acima exprime o balanço de radiação de ondas longas em dias de céu limpo, ou seja, na ausência de qualquer tipo de nuvens, devendo ser ajustada para qualquer dia, com uma equação do tipo:
Simplificando,
Portanto, o balanço de radiação de ondas longas para qualquer dia, em qualquer situação atmosférica passa a ser:
Fonte: Von Randow e Alvalá, 2006
Medida do Saldo de Radiação (Rn)
O saldo de radiação é medido com equipamentos denominados saldo-radiômetros. As fotos apresentadas mostram diferentes tipos de saldo-radiômetros utilizados em estações micrometeorológicas. Todos eles utilizam o mesmo princípio empregado nos piranômetros de termopar, porém, medindo OC e OL.
Qg
r.Qg
Qatm
Qsup
r.Qg + Qsup
Qg + Qatm
Estimativa do Saldo de Radiação (Rn)
Na falta de um saldo-radiômetro, pode-se estimar os valores diários de Rn medindo-se ou estimando Qg e usando-se o valor adequado de r para a superfície de trabalho, aplicando-se esses valores na expressão de BOC. O BOL pode ser estimado por equações empíricas, como a de Brunt adaptada por Doorembos & Pruitt (1975), que envolve a lei de Stefan-Boltzman corrigida para condições de umidade (ea) e nebulosidade (n):
Para clima úmido 
Para clima seco 
MJ m-2 d-1
MJ m-2 d-1
em que BOL é o balanço de ondas longas (MJ m-2 d-1), Tar é a temperatura do ar (K), ea é a pressão parcial de vapor do ar (kPa), n é a insolação (horas) e N é o fotoperíodo (horas).
Estimativa do Saldo de Radiação (Rn)
Para fins práticos, o Rn também pode ser estimado em função da radiação solar global (Qg), visto que há estreita relação entre eles. Para o Cambarazal a RPPN SESC-Pantanal essa relação é representada abaixo:
Medida do Saldo de Radiação (Rn)
As figuras ao lado apresentam as medidas do saldo de radiação (Rn) sobre um dossel de Cambará, obtidas com o sensor NRLite, durante um dia de céu limpo e outro de céu nublado. Observe que a variação diária do Rn é afetada pela presença das nuvens, não só durante o dia, devido à atenuação da radiação solar global (ondas curtas), como também à noite pela diminuição do balançonegativo de ondas longas.
Dia de Céu Limpo
Dia de Céu Nublado
Medida do Saldo de Radiação (Rn)
Balanço de Radiação em um local com latitude de 60ºN durante um dia ensolarado (a) com albedo de 0,20 (vegetação) em Abril e (b) com albedo de 0,70 (neve) em Janeiro.
Fonte: Monteith e Unsworth (2008)
Medida do Saldo de Radiação (Rn)
Variação média horária dos componentes do balanço de radiação durante um período de 10 dias de céu claro em uma pastagem na região Amazônica.
Fonte: Galvão e Fisch (sem data)
Balanço de Energia
O saldo de radiação é repartido em diferentes processos:
 Físicos: aquecimento do ar (H) e do solo (G) e evaporação (LE)
 Bio-Físico: transpiração (LE)
 Bio-Químico: fotossíntese (F)
Balanço de Energia
Considerando-se que o aproveitamento energético na fotossíntese é menor que 3% de Rn e que a evaporação e a transpiração (evapotranspiração) ocorrem simultaneamente e são indistinguíveis, a equação acima pode ser aproximada para:
Ou seja, o saldo de radiação é repartido entre os três principais processos: aquecimento do ar, aquecimento do solo e evapotranspiração. A proporção entre esses três processos irá depender a disponibilidade hídrica da superfície.
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Rn
LE
H
G
Rn
LE
H
G
Rn
H
G
Superfície Úmida - Dia
Superfície Úmida - Noite
Superfície Seca - Dia
Normalmente, quando a superfície está úmida LE predomina, consumindo cerca de 70 a 80% de Rn
Sob condição de superfície seca, o processo de aquecimento do ar predomina.
Balanço de Energia em Diferentes Condições Hídricas
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Balanço de energia na REBIO Jarú (Ji-Paraná/RO - Floresta Amazônica) e na Fazenda Maracaí (Sinop/MT - Transição Amazônia-Cerrado) durante as estações seca e chuvosa. (Andrade et al., 2009)
Amazônia
Chuvosa
Amazônia
Seca
Amazônia-Cerrado
Chuvosa
Amazônia-Cerrado
Seca
Maior disponibilidade de energia na estação seca.
Maior disponibilidade de energia na estação chuvosa.
Pequena alteração em LE, característica de melhor adaptação aos períodos de seca (Raízes).
Menores valores de LE na estação seca, característica de vulnerabilidade aos períodos de seca.
LE/Rn
Chuvosa  0,68
Seca  0,56
Aumento de Rn (19,7%)
LE/Rn
Chuvosa  0,66
Seca  0,55
Diminuição de LE
(33%)
Balanço de energia na Transição Amazônia-Cerrado e na Pastagem durante as estações seca e chuvosa. (Priante et al., 2004)
A Pastagem teve menores taxas de Calor Latente e maiores taxas de Calor Sensível.
Alta mudança sazonal nos fluxos contraria a sazonalidade da energia disponível (Rn)
Os gráficos mostram a partição do saldo de radiação em dois ambientes diferentes na estação seca no Cambarazal e em uma Pastagem. Observe as diferenças na proporção entre LE e H. Na pastagem, praticamente a parte da energia disponível para aquecimento do ar (H) foi maior que no cambarazal.
LE/Rn ~ 0,79
H/Rn ~ 0,19
G/Rn ~ 0,02
LE/Rn ~ 0,60
H/Rn ~ 0,32
G/Rn ~ 0,08
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