Aula 3 - Unidade II - Parâmetros meteorológicos relevantes aos estudos climáticos

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Universidade Federal de Minas Gerais
Instituto de Geociências
Departamento de Geografia
Climatologia
Prof. Wellington Lopes Assis
Unidade II - Parâmetros Meteorológicos Relevantes aos Estudos
Climáticos
2. Radiação Solar e o Balanço de Energia
2.1. Constante Solar & Intensidade de Energia
2.2. Fatores da Distribuição da Radiação Solar no Topo da Atmosfera e na 
Superfície Terrestre
2.3. Cálculo do Ângulo de Incidência
2.4. A Propagação do Calor na Atmosfera
2.5. Processos de Transferência de Calor no Sistema Terra-Atmosfera
2.6. Radiação Terrestre e Radiação Atmosférica
2.7. Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Constante Solar & Intensidade de Energia
Fonte: http://www.nasa.gov
Constante Solar & Intensidade de Energia
Constante Solar é a quantidade de energia solar recebida, por unidade de área,
por uma superfície, que forme ângulo retos com os raios do sol no topo da
atmosfera e que é de 1,96 cal./cm2/min = 2 langleys/min ou 1367,5 W/m².
O Sol é considerado uma estrela de quinta grandeza, constituída por uma massa
gasosa, contendo cerca de 71% de Hidrogênio (H) e 26% de Hélio (He). Sua
superfície aparente é denominada de fotosfera e 90% de sua massa concentra-se
na metade interna de seu raio.
A temperatura da Fotosfera é de 5770K, entretanto, por causa da pressão exercida
por sua massa colossal, a temperatura de seu núcleo é de 15.000.000K. Essa
altíssima temperatura provoca o desencadeamento de reações nucleares,
transformando o hidrogênio em hélio.
A cada segundo, 657 milhões de toneladas de Hidrogênio (H) são transformadas
em 653 milhões de toneladas de Hélio (He), havendo uma diferença de 4 milhões
de toneladas de hidrogênio que, nesta fusão, é convertida em radiação β.
Fonte: http://www.aag.org/
Radiação Solar e o Espectro Eletromagnético
Fonte: http://students.umf.maine.edu/
Radiação Solar e o Espectro Eletromagnético
Fatores da Distribuição da Radiação Solar no Topo da 
Atmosfera e na Superfície Terrestre
Fonte: http://upload.wikimedia.org/
onde C = Constante Solar
A = Área a ser iluminada_C_AI =
Esfericidade & Intensidade da Radiação Solar
Parâmetros Orbitais – Excentricidade Orbital
A forma e a distância da orbita terrestre muda em
ciclos regulares de 95.000, 100.000, 125.000 e
400.000 anos.
Fonte: http://www.physicalgeography.net/
Translação: movimento
da Terra em torno do
Sol. Tem duração
aproximada de 365
dias, 6h 9mim e 10seg.
Parâmetros Orbitais – Obliquidade e Precessão Axial
Fonte: http://phreakmonkey.com /
Obliqüidade: ângulo formado
entre o eixo de rotação do
planeta e o plano de sua órbita.
A obliquidade atual é de 23º 27’.
Porém, a cada 41.000 – 54.000
anos oscila entre 22,1º – 24,5º
Rotação: movimento da Terra em torno de seu próprio eixo. Tem
duração aproximada de 23h 56 mim e 4seg.
Parâmetros Orbitais – Oscilação do Eixo
Fonte: http://www.herongyang.com/
Como um pião, a Terra descreve um cone
ao girar sobre si mesma mantendo
sempre o mesmo ângulo de inclinação –
movimento leva em média 25.800 anos
http://www.nasa.org
Parâmetros Orbitais – Precessão dos Equinócios
Se as duas precessões (axial e da elipse) são tomadas
juntas, a posição dos equinócios e dos solstícios mudam
ao longo da órbita num ciclo total de 19.000 – 23.000.
Fonte: http://www.physicalgeography.net/
Fonte: http://www.detectingdesign.com/
Fonte: http://rst.gsfc.nasa.gov/
Radiação Solar e Manchas Solares
Fonte: http://www.weirdwarp.com
Fonte: http://epod.typepad.com/
Radiação Solar e Manchas Solares
Manchas solares são regiões de intensa atividade magnética onde convecção é inibida por fortes campos
magnéticos, reduzindo transporte de energia do interior quente do Sol, fazendo que estas regiões
possuam uma temperatura mais baixa do que ao redor.
Fonte: http://rst.gsfc.nasa.gov/
Fonte: http://ds9.ssl.berkeley.edu/
As manchas solares causam flutuações de output com
ciclos de 11, 22, 44 anos, etc. As labaredas solares
também causam flutuações a curto prazo na natureza.
Radiação Solar e Manchas Solares
Parâmetros Orbitais – Estações do Ano
Parâmetros Orbitais – Estações do Ano
A combinação da inclinação do eixo terrestre e a translação da Terra faz
com que ora um hemisfério, ora outro, receba mais energia solar,
resultando no ciclo das estações do ano.
Eclíptica: caminho anual aparente do Sol na esfera celeste. Para um
observador aqui na Terra causa a impressão de que o Sol se desloca
aparentemente no céu na direção N – S ao longo do ano.
Solstício: um dos dois pontos na eclíptica em que o sol atinge sua maior
distância Norte ou Sul do Equador. Marca o início do verão e do inverno
(22-23/12 e 21-22/06).
Equinócio: um dos dois pontos na eclíptica em que o Sol incide
perpendicularmente sobre o Equador. Marca o início do outono e da
primavera (20-21/03 e 22-23/09).
Eclíptica – Solstícios e Equinócios
Movimento da eclíptica para uma pessoa localizada no plano
equatorial (00º 00’ lat.). Os raios solares farão um ângulo de 90º
(zênite) ao meio-dia entre os dias 20-21/03 e 22-23/09
Fonte: http://cse.ssl.berkeley.edu
Movimento da eclíptica para uma pessoa localizada no Trópico
de Cancer (23º 27’ N). Os raios solares farão um ângulo de 90º
(zênite) ao meio-dia entre os dias 21-22/06.
Eclíptica – Solstícios e Equinócios
Fonte: http://cse.ssl.berkeley.edu
Movimento da eclíptica para uma pessoa
localizada no Círculo Polar Ártico (66º 33’ N).
Fnte: http://cse.ssl.berkeley.edu
Movimento da eclíptica para uma pessoa
localizada no Polo Norte (90º 00’ N).
Eclíptica – Solstícios e Equinócios
Fonte: http://cse.ssl.berkeley.edu
Cálculo do Ângulo de Incidência
Altura do Sol 
“É o ângulo entre seus raios e uma tangente à superfície no ponto de observação”
Quanto maior a altura do Sol, tanto mais concentrada será a intensidade da radiação por 
unidade de área e menor será o ALBEDO .
Cálculo do Ângulo de Incidência dos Raios Solares
Exemplo - Manaus 03º 08’ 00”S
Verão (23º 27’S) 23º 27’ S 89º 60”
03º 08’ S 20º 19’
20º 19’ = Dif. Lat. 69º 41’ ⇒ Ângulo de Incidência
Outono/Primavera (00º 00’) 89º 60’ = Dif. Lat. 
03º 08’ 
86º52’⇒ Ângulo de Incidência
Inverno (23º 27’N) 23º 27’ S 89º 60”
03º 08’ S 26º 35’
26º 35’ 63º 25’ ⇒ Ângulo de Incidência
- -
-
+ -
Propagação de Calor na Atmosfera
● Absorção = constituintes atmosféricos (O2, O3, H2O, CO2, CH4, N2O, SO2, Aerossóis).
Fonte: http://fisica.ufpr.br/grimm/
Janelas Atmosféricas: são faixas do espectro
eletromagnético que conseguem passar total
ou parcialmente pela atmosfera.
Propagação de Calor na Atmosfera
● Reflexão (Albedo) = Energia Refletida (R) / Energia Incidente (I)
Fonte: http://www.the-m-factory.com/
Propagação de Calor na Atmosfera
Os comprimentos de ondas mais curtos são afetados pela difusão
Rayleigh (difusão seletiva) oumolecular - espalhamento p/ azul.
Fonte: http://www.tofsteoria.com.br
Fonte: Wellington Lopes Assis (2008)
● Difusão = espalhamento ou dispersão da radiação solar.
Propagação de Calor na Atmosfera
Os comprimentos de ondas mais longos são afetados pela difusão Mie
Scattering e pelo Espalhamento Não-Seletivo (espalhamento p/ branco).
Fonte: http://www.photon.at/~werner/clouds/Clouds.html http://apollo.lsc.vsc.edu/
Mie Scattering Espalhamento Não-Seletivo 
Transferência de Calor no Sistema Terra-atmosfera
● Radiação = energia luminosa.
● Condução = transmissão de energia através da troca molecular –
contato.
● Convecção = transporte vertical de energia e massa, através das
correntes de ar e oceânicas.
● Advecção = transporte horizontal de energia e massa, atravésdas
correntes de ar e oceânicas.
- O excesso do aquecimento superficial induzido pela radiação solar é
retirado por meio da evaporação e condensação da água.
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
● Radiação Terrestre
- A superfície da Terra, quando aquecida pela absorção da radiação
solar, torna-se uma fonte de radiação de ondas longas.
- A temperatura média da superfície da Terra é somente 300K (10ºC),
enquanto a do Sol 5800K (6000ºC).
- A maior parte da radiação emitida pela Terra está na faixa espectral
infravermelha de 4µm até 150µm, com um pico em torno de 10µm.
- A radiação terrestre é também chamada de radiação noturna, uma
vez que ela é a principal fonte radioativa de energia à noite.
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
● Radiação Solar & Radiação Terrestre
Fonte: http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect16/Sect16_2.html/
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
● Radiação Atmosférica
- Em média 25% de toda energia incidente na atmosfera é refletida
de volta ao espaço pelas nuvens = Albedo Atmosférico.
- A atmosfera é quase transparente à radiação em ondas curtas, ela
apresenta alta capacidade de absorção de radiação infravermelha.
- Em média 18% da radiação solar é absorvida pelo O3 , O2 e pelo
H2O.
- Os principais absorventes da radiação infravermelha são o vapor
d’água visível (5,3µm a 7,7µm e além de 20µm), o ozônio (9,4µm a
9,8µm), o bióxido de carbono (13,1µm a 16,9µm) e as nuvens, que
absorvem radiação em todos os comprimentos de onda.
- Em média 91% da radiação em ondas longas fica retida na
atmosfera� contra-radiação� Efeito Estufa.
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Qo = Radiação Solar
Qd = Radiação Solar Direta
Qc = Radiação Solar Difusa
Qg = Radiação Solar Global
Qoc = Balanço de Radiação de Ondas CurtasQr = Radiação Solar Refletida pela Superfície
Qs = Radiação Terrestre Qcr = Contra-Radiação Atmosférica
Qol = Balanço de Radiação de Ondas Longas
QdQc
Qo
Reflexão
Difusão
Absorção
Qg
Qr
Qoc QolSuperfície
Espaço
Atmosfera
Qs
Fonte: Adaptado (Tubelis, 1984)
Qcr
Qoc = Qg + Qr Qol = Qcr + Qs Q = Qoc + Qol Q = Radiação Líquida
ROL = Radiação em Ondas 
Longas
ROC = Radiação em Ondas Curtas
Albedo Planetário: 31%
Calor
Latente
Adaptado das aulas da
Profa. Magda Luzimar de Abreu
Radiação incidente
Radiação refletida para o espaço
Radiação absorvida pela superfície / atmosfera
Radiação emitida pela superfície / atmosfera
Componentes 
Atmosféricos
23
Calor
Sensível
Emissão para o Espaço: 69
6
23
100 %
Ondas 
Curtas
45
21
Superfície
4
24
4
Energia 
terrestre 
irradiada
10
3
Componentes 
Atmosféricos e 
Nuvens
6
Efeito 
Estufa
166
Interferência da Atmosfera: 63
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Radiação de Ondas Curtas Radiação de Ondas Longas
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
- A energia solar incidente sobre o topo da atmosfera da Terra é de
cerca de 263 Kly por ano.
- Somente 169 Kly de energia são absorvidos pelo sistema terra-
atmosfera, sendo que os 94 Kly restantes refletidos de volta para o
espaço (Albedo Planetário).
- Cerca de 90% da radiação líquida dos oceanos é usada para evaporar
a água e os 10% restantes são usados para aquecer o ar pela condução
e convecção.
- Para a Terra no seu conjunto, o fluxo de calor latente é responsável
por 82% da radiação líquida e a troca turbulenta de calor é
considerada como sendo 18%.
- Somente 5% da energia é utilizada para a fotossíntese.
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Fonte: http://www.atmosp.physics.utoronto.ca/
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Fonte: http://www.sci.uidaho.edu/
O balanço de energia é Positivo
entre as latitudes de 40ºN e 30ºS e
Negativo no restante. No decorrer
do ano o balanço de radiação da
superfície terrestre é positivo,
enquanto o da atmosfera é
negativo. A radiação líquida é cerca
de 70% maior sobre os oceanos do
que sobre os continentes.
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Podemos considerar a atmosfera como uma depressão radiativa em todas as latitudes,
enquanto a superfície terrestre é uniformemente uma fonte de calor, exceto próximo
aos pólos.
Fonte: Tubelis (1984)
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Fonte: http://www.geog.ucsb.edu/
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Fonte: http://www.geog.ucsb.edu/
Balanço de Radiação do Sistema Terra-Atmosfera
Fonte: http://www.geog.ucsb.edu/