Radiação na Atmosfera e Medição

Prévia do material em texto

Balanço de Radiação
Prof. MSc. Ricardo Rodrigues
Balanço de Radiação
Radiação na 
Atmosfera
Prof. MSc. Ricardo Rodrigues
Solarimetria e Instrumentos de Medição
• A medição da radiação solar, tanto a componente direta como a
componente difusa na superfície terrestre é de maior importância
para o estudos das influências das condições climáticas e
atmosféricas.
• Com um histórico dessas medidas, por exemplo, pode-se viabilizar a
instalações de sistemas térmicos e fotovoltaicos em uma
determinada região garantindo o máximo aproveitamento ao longo
do ano onde, as variações da intensidade da radiação solar sofrem
significativas alterações.
Solarimetria e Instrumentos de Medição
• De acordo com as normas preestabelecidas pela
Organização Mundial de Meteorologia (OMM) são
determinados limites de precisão para quatro tipos de
instrumentos:
o de referência ou padrão.
o instrumentos de primeira, segunda e terceira classe.
• As medições padrões são:
o radiação global e difusa no plano horizontal
o radiação direta normal.
Solarimetria e Instrumentos de Medição
• Piranômetros
o Os piranômetros medem a radiação global.
o Este instrumento caracteriza-se pelo uso de uma termopilha que
mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintada
de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas.
o A expansão sofrida pelas superfícies provoca um diferencial de
potencial que, ao ser medida, mostra o valor instantâneo da energia
solar.
Solarimetria e Instrumentos de Medição
• Piranômetros de Segunda Classe e uma Secção
transversal de um Piranômetros.
Solarimetria e Instrumentos de Medição
O cálculo do balanço de energia
• A radiação global (Qg)pode ser
medida com instrumentos que
registram a energia que atinge
o solo.
• Na falta destes instrumentos,
a radiação global pode ser
estimada a partir das horas de
insolação.
O cálculo do balanço de energia
• Suponha-se que um feixe de
radiação Qo penetre no limite
mais extremo da atmosfera.
• Durante seu percurso parte
desta radiação será absorvida,
outra difundida e, finalmente,
uma terceira atinge a
superfície da Terra.
O cálculo do balanço de energia
• A fração difundida pela
atmosfera constitui-se de uma
parte que retorna ao espaço
sideral e a outra parte que
atinge a superfície da terra
denomina-se radiação do céu
Qc.
O cálculo do balanço de energia
• A parte da radiação que não
sofreu alteração ao atravessar
a atmosfera, é denominada
radiação direta Qd.
• Assim, a radiação que por fim
chega até a superfície da Terra
é denominada de radiação
global Qg.
O cálculo do balanço de energia
• A radiação global pode ser
calculada por:
Qg = Qc + Qd
• A unidade da radiação solar é
cal/cm2.dia
O cálculo do balanço de energia
• A radiação global pode ser
medida com instrumentos
especiais (actinógrafos ou
solarímetros) que registram a
energia que atinge o solo.
• Na falta destes instrumentos,
Qg pode ser estimada a partir
das horas de insolação.
Corpo Negro
• O espectro da radiação se
assemelha com aquele de um
corpo negro à temperatura
aproximada de 6000°K.
• Define corpo negro como
sendo aquele que absorve
totalmente a radiação
eletromagnética de todos os
comprimentos de onda que
incidem sobre ele.
Corpo Negro
• A emissão de um corpo negro se dá dentro de uma faixa de comprimentos 
de onda, sendo que o total de energia emitida depende da temperatura 
do corpo e é dado pela Lei de Stefan-Boltzmann.
• 𝐸 = 𝜎𝑇4
• Onde:
o E → energia total emitida (cal/cm2.min);
o σ → cte de Stefan-Boltzmann = 0,827x10-10 cal/cm2.min.°K4;
o T → temperatura absoluta (K).
Corpo Negro
• A energia total emitida por um corpo não negro é obtida
a partir da equação anterior, aplicando-lhe um fator є,
que corresponde a emissividade do corpo:
𝐸 = 𝜀 ∙ 𝜎 ∙ 𝑇4
Estimativa do balanço de Radiação
• O balanço de radiação e suas componentes podem
ser estimados a partir de outros elementos
meteorológicos.
• A estimativa da radiação solar global diaria pode ser
feita a partir da insolação diária, através da equação
de Angstrom.
Estimativa do balanço de Radiação
• Onde:
– Qg → rad. solar global
(cal/cm2.dia)
– Q0 → rad. solar em uma
superfície horizontal no topo da
atmosfera (cal/cm2.dia)
– N → Número diário de horas de
brilho solar
– n/N → razão de insolação
–  → latitude local
• 𝑄𝑔 = 𝑄𝑜 𝑎 + 𝑏 ∙
𝑛
𝑁
• 𝑎 = 0,29 ∙ cos 𝜙
• 𝑏 = 0,52
Estimativa do balanço de Radiação
• A estimativa da
radiação solar
refletida (Qr) é feita,
assumindo-a como
uma fração constante
da radiação global,
ou seja:
• 𝑄𝑟 = 𝑟 ∙ 𝑄𝑔
• Onde:
• r → é o albedo ou poder refletor 
da superfície.
Estimativa do balanço de Radiação
ALBEDO (r) DE ALGUMAS SUPERFÍCIES
Superfície % Culturas % Animais %
Concreto 22 Grama 24 - Bovinos -
Solo arado, úmido 15 Batata 20 Zulu (pelagem branca) 51
Asfalto 7 Beterraba 26 Simental (creme) 50
Areia, branca 37 Cevada 24 Africander (vermelho) 22
Neve, nova 82 Trigo 24 Sussex (vermelho escuro) 17
Neve, velha 57 Feijão 24 Aberdeen Angus (pelagem preta) 11
Solo escuro 10 Milho 20 Santa Gertudris (vermelho)
Solo claro 27 Fumo 22 Jersey (amarelo)
Água 5 Tomate 23
Abacaxi 15 - Homem -
Sorgo 20 Branco 35
Algodão 21 Negro 18
Estimativa do balanço de Radiação
• A estimativa da radiação 
solar absorvida ou 
radiação de ondas 
curtas (Qoc) será, então, 
dada pela equação:
• 𝑄𝑜𝑐 = 𝑄𝑔 − 𝑄𝑟
• ou
• 𝑄𝑜𝑐 = 1 − 𝑟 ∙ 𝑄𝑔
Estimativa do balanço de Radiação
• 𝐸 = 𝜀 ∙ 𝜎 ∙ 𝑇4
• 𝑄𝑠 = 1440 ∙ 𝜎 ∙ 𝑇𝑎
4
• Onde:
– O fator “1440” representa 
a transformação de:
•
𝑐𝑎𝑙
𝑐𝑚2
∙ 𝑚𝑖𝑛 →
𝑐𝑎𝑙
𝑐𝑚2
∙ 𝑑𝑖𝑎
– 𝑇𝑎 → é a temperatura do 
ar em Kelvin (K)
• A estimativa da radiação
terrestre (Qs) diária é
feita através da equação
ao lado.
• Agora assumindo que a 
temperatura média do 
solo igual à temperatura 
média do ar e a 
emissividade da 
superfície igual a 1, 
temos a expressão ao 
lado.
Estimativa do balanço de Radiação
• A emissão efetiva terrestre (Qol) diária é estimada pela seguinte
equação:
• 𝑄𝑜𝑙 = 1440 ∙ 𝜎 ∙ 𝑇𝑎
4 ∙ 0,09 ∙ 𝑒 − 0,56 ∙ 0,1 + 0,9 ∙
𝑛
𝑁
o Onde:
• 𝑒 → é a tensão atual média diária de vapor d’água na atmosfera
em mmHg.
Estimativa do balanço de Radiação
• A contra-radiação diária 𝑄𝑐𝑟 é determinada através da
equação abaixo, a partir dos valores diários da radiação
terrestre e da emissão efetiva terrestre.
• 𝑄𝑜𝑙 = 𝑄𝑐𝑟 − 𝑄𝑠
• Essa equação é conhecida como a emissão ou irradiação
efetiva terrestre, e representa o balanço de radiação de
ondas longas 𝑸𝒐𝒍 .
Estimativa do balanço de Radiação
• O balanço de diário de radiação é obtido pela equação abaixo, a
partir da radiação solar absorvida e da emissão efetiva terrestre.
• 𝑄 = 𝑄𝑜𝑐 + 𝑄𝑜𝑙
• A soma dos balanços de radiação de ondas curtas e longas é
denominada de balanço de radiação ou saldo de radiação, e
representa o total de radiação que é absorvido pela superfície
terrestre e que será usado na geração dos fenômenos
meteorológicos.
Exercicio
• Calcular o balanço diário médio mensal de radiação de uma cultura de 
feijão em Quixeramobim - CE (𝐿𝑎𝑡: 05°09′ 𝑆 𝐿𝑜𝑛𝑔: 39°18′𝑊), do mês 
de junho de 1972. Os parâmetros meteorológicos médios mensais 
coletados foram os seguintes:
o Temperatura do ar = 24°C
o Insolação = 6,1 horas
o Tensão de Vapor d’água = 20,2 mmHg
o Radiação no Topo da Atmosfera = 767 cal/cm2∙dia
o Número de horas do dia = 11,75 horas
o Albedo do feijão = 0,24
o a = 0,29 e b = 0,52
Exercício
Exercício
Exercicio
Exercicio
ReferenciasBibliográficas
• Mendonça, F., Climatologia: noções básicas e climas do 
Brasil. São Paulo: Oficina de Texto, 2007 - INBN: 978-85-86238-
54-3
• Tubelis, A. & Nascimento, F.J.L., Meteorologia Descritiva: 
fundamentos e aplicações brasileiras. 1ª Imp., 4ª Reimp. 
Livraria Nobel S.A., São Paulo, 374p., 1986
• Varejão-Silva, Mário Adelmo. , Meteorologia e Climatologia. 
Brasília: INMET, Gráfica Editora Pax, 532p.: Il. 2001.