Aula resumida - Radiação e Balanço de Energia

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Radiação e Balanço de Energia
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1. Fluxo de energia na Terra
A quantidade total de energia do Universo é fixa. Ela pode mudar em forma (transformar-se) mas não em quantidade.
Como se dá as relações entre a superfície da Terra e a baixa atmosfera e as trocas de energia?
O Planeta Terra é um SISTEMA ABERTO chamado SISTEMA SUPERFÍCIE-ATMOSFERA (SSA). 
A entrada de energia no SSA ocorre através da Luz Solar. 
Há uma interação dets energia com os componentes da atmosfera, e o atingue à superfície é uma parcela do que entrou no Sistema.
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Este trânsito de ENERGIA pode ser investigado a partir do BALANÇO DE RADIAÇÃO ao longo das diferentes estações do ano, através dos processos de:
 CONDUÇÃO
 CONVECÇÃO
 ADVECÇÃO
 CONDENSAÇÃO
 RADIAÇÃO (Principal modo de propagação de energia no SSA: 	modo como a ENERGIA do Sol chega a Terra)
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2. Quem governa o comportamento do fluxo de energia em sistemas naturais?
Leis da Termodinâmica
O que é termodinâmica?
- ramo da Física que estuda as relações entre as QUANTIDADES DE CALOR TROCADAS e o TRABALHO realizado em um processo físico envolvendo um corpo ou um sistema de corpos.
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Primeira Lei da Termodiâmica ou Lei da Conservação da Energia
Em todas as mudanças físicas ou químicas a E não é criada ou destruída, mas pode ser convertida de uma forma para outra.
Assim, a E pode ser transferida de um sistema para outro de várias formas e a quantidade de E disponível no Universo é constante. 
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*Matéria: qualquer coisa que tenha massa (a quantidade de matéria em um objeto) e que ocupe espaço.
Einstein propôs que E e matéria são intercambiáveis. 
Sua equação sugere que a quantidade de matéria e E no Universo é fixa.
E = M.C2 
E – energia; M- matéria*; e C – constante 
A equação escrita por Albert Einstein descreve a relação entre ENERGIA e MATÉRIA:
Físico Alemão - Prêmio Nobel em 1921
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Segunda Lei da Termodinâmica ou Lei da Entropia
Entropia: medida da desordem ou aleatoriedade de um sistema. 
Quanto maior a desordem de uma amostra de matéria, maior a entropia e vice-versa.
Ela mede a parte da energia que não pode ser transformada em trabalho.
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Primeira Lei da Termodinâmica: a quantidade total de energia no universo permanece sempre a mesma, ou seja não é criada ou destruída.
Porém, a quantidade de E útil diminui a cada transformação, ou seja, segundo a Segunda Lei da Termodinâmica, aumenta a entropia.
Assim temos que... em termos das Leis da Termodinâmica nos ecossistemas:
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3. BALANÇO DA ENERGIA RADIAÇÃO SOLAR
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Temperatura do Sol
 A temperatura do Sol é de 5.770K ( ~ 5.500°C). 
 Sua superfície emite 72 milhões de watts por cada metro quadrado.
 
 A Terra se encontra a 149,5 milhões de quilômetros de distância, de forma que a radiação que chega a nossa órbita é apenas 1.367 watts/m2 (S = constante solar). 
 Se estivéssemos junto dele, certamente estaríamos incinerados ou volatilizados!
 A radiação solar é um fenômeno de natureza eletromagnética, propagando-se segundo um movimento ondulatório.
 A velocidade da radiação solar é de 300.000 km/s, levando cerca de 8 min. para chegar à Terra. Esta é constituída por radiações simples, referenciadas pelo seu comprimento de onda ou pela sua frequência. 
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Relação entre o comprimento de onda e a frequência 
O espectro solar é a energia radiante ordenada segundo os seus comprimentos de onda, chamado de radiação e é constituído por radiações visíveis (luminosas) e outras invisíveis.
* radiações visíveis: que correspondem às sete cores do arco-íris (com um comprimento de onda entre os 0,4 µm e 0,78 µm), designando-se vulgarmente por janela óptica.
* radiações invisíveis: com um comprimento de onda inferior a 0,4 µm (para a esquerda das radiações visíveis) surgem as bandas do ultravioleta, dos raios X, dos raios Y (gama) e dos raios cósmicos. Com um comprimento de onda superior a 0,78 µm (para a direita das radiações visíveis) surgem as bandas do infravermelho, das ondas rádio ou ondas hertzianas.
Devido à sua elevada temperatura (5.500°C na sua superfície), o Sol emite radiações de pequeno comprimento de onda, isto é, de elevada frequência.
Ao conjunto das radiações solares simples dá-se o nome de espectro electromagnético ou espectro solar.
Menor
Menor
Maior
Maior
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Balanço de Energia (E)
O balanço de E (ou radiação) é o balanço entre a E radiante que chega na Terra e a E emitida ou refletida pela mesma.
A Terra se encontra a 150 milhões de km de distância do Sol, a radiação que chega no topo da atmosfera é 1.367 Watts.m-2 
Sobre a superfície da Terra esta energia atinge áreas diferentes, de acordo com a latitude e a época do ano.
Aquecimento diferencial 
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	Os continentes, os oceanos, as nuvens e os gases atmosféricos absorvem a radiações de ondas curtas, emitindo radiação térmica (ou onda longa) de acordo com suas temperaturas e sua composição física e química. 
Balanço de Energia na biosfera
Trocando calor entre si de diversas formas:
 Misturando massas de ar.
 Transportando massas de vapor e calor sensível.
 Evaporando e precipitando água (processos termodinâmicos). 
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Nem toda energia que chega ao topo da atmosfera atinge a superfície:
Da E que atinge a superfície terrestre (1.367 W.m-2):
 31% (~424) refletida de volta para o espaço.
 23% (~314) refletida pelas nuvens. 
 46% (~629) atinge a superfície da Terra.
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Albedo
 A radiação solar, ao incidir sobre qualquer corpo, vai, em maior ou menor quantidade, sofrer uma mudança de direção, sendo reenviada para o espaço por reflexão.
 A fração de energia refletida (expresso em %) designa-se por ALBEDO. 
 As superfícies de cor clara, como a neve, têm um albedo elevado, refletindo quase a totalidade da energia solar nelas incidente, logo não aquecem muito.
 As superfícies de cor escura têm um albedo muito fraco, o que se traduz numa grande absorção de radiação solar e em um consequente aquecimento.
 As superfícies lisas têm maior reflexão do que superfícies rugosas. Deste modo, as florestas têm um albedo fraco, na medida em que são corpos relativamente escuros e de superfície desigual.
 E, quanto maior a inclinação dos raios solares maior é a albedo.
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Distribuição da Radiação Solar na Superfície Terrestre
 a Radiação Solar varia de acordo com o ângulo de incidência dos raios solares. 
 Esse ângulo formado entre o Zênite local e os raios solares, denomina-se ÂNGULO ZENITAL (Z).
 Quanto maior Z, menor a Energia Refletida.
Variação da elevação solar e, consequentemente, do ângulo zenital (Z) em diferentes latitudes. A linha vermelha indica o zênite do local.
Z = 0o 
Para latitde = 0o
Z = 45o 
Para latitude = + 45o
Z = 60o 
Para latitude = + 60o
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Da Esolar na superfície:
50% é usada na evaporação da água = 8.4 MJ.m-2.dia-1 (calor latente).
50% aquecem a Terra, o ar e os oceanos (calor sensível), produzem correntes na atmosfera e oceanos, transferindo calor para os climas moderados e vapor d’água dos oceanos para os continentes.
A Energia na Superfície Terrestre
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Fluxo de calor sensível
O fluxo de calor sensível (H) é o fluxo de calor por convecção, que ocorre porque a superfície se aquece e, assim, aquece o ar atmosférico em contato direto com a superfície. 
A turbulência provocada pelo vento se encarrega de redistribuir o ar aquecido para camadas mais altas da atmosfera, resultando em um fluxo de energia. 
O fluxo de calor sensível recebe este nome porque está relacionado à temperatura do ar, que pode ser “sentida” (Hornberger et al., 1998). 
Radiação (Rn) 
fluxo de calor sensível (H)
fluxo de calor latente (E)
fluxo de calor para o solo (G)
fluxo de energia por advecção (A) - entrando e saindo
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Fluxo de calor latente
O calor latente (E) é a parte da energia interna que não pode ser “sentida”, ou seja, não está relacionada
à temperatura, mas sim ao calor usado para a vaporização.
O fluxo de calor latente é o fluxo de energia associado ao fluxo de água para camadas mais altas da atmosfera, a partir da superfície. 
O fluxo de calor latente está, portanto, relacionado ao fluxo de água da superfície para a atmosfera por evapotranspiração. 
Radiação (Rn) 
fluxo de calor sensível (H)
fluxo de calor latente (E)
fluxo de calor para o solo (G)
fluxo de energia por advecção (A) - entrando e saindo
(ocorre predominantemente na TROPOSFERA !)
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Fluxo de energia por advecção
Aquecimento da atmosfera pelo deslocamento lateral de massas de ar aquecido.
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As ondas longas emitidas pela superfície retorna por ação de gases, aerossóis e nuvens presentes na Toposfera.
3.1. Radiação terrestre e o Efeito Estufa
O efeito de estufa é um fenômeno natural e necessário ao equilíbrio térmico da Terra!
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Fluxos de energia na superfície ao longo do dia
Fluxos durante dois dias
Radiação (Rn) 
fluxo de calor sensível (H)
fluxo de calor latente (E)
fluxo de calor para o solo (G)
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4. BALANÇO DE RADIAÇÃO (resumindo)
 todos os corpos (geleiras, nuvens, corpos negros, pessoas, objetos, planetas, estrelas, matérias sólidas) emitem ou refletem a energia radiante do sol.
 quanto maior a temperatura residual desses corpos, maior é a emissão radiante. 
 se o nosso planeta estivesse isolado no espaço sideral, emitiria a radiação, perdendo energia térmica e resfriando-se. 
 como estamos perto do sol, o que a Terra perde para o espaço é compensado pela radiação solar que é absorvida pelo nosso planeta. 
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 Durante um dia, a Terra gira uma vez em torno de si mesma e todas as longitudes recebem radiação solar (radiação de onda curta) emitindo e absorvendo radiação térmica.
 Algumas latitudes têm um saldo positivo, e outras um saldo negativo. 
 O excesso absorvido nos trópicos é transportado na direção das latitudes maiores, através das correntes oceânicas e pela circulação da atmosfera.
COMO SE VERIFICA A DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA QUE CHEGA DO SOL ? 
BALANÇO DE RADIAÇÃO (resumindo)
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 A distribuição horizontal e vertical da temperatura, umidade e ventos (incluindo a presença de nuvens, aerossóis e diversos gases) influenciam no balanço de energia sobre um dado local ou região. 
 Esse balanço é variável no tempo mas tende a “fechar" em cada local no período de um ano. 
 Essas são as características que definem o Clima Regional.
BALANÇO DE RADIAÇÃO (resumindo)
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5. ALGUNS INSTRUMENTOS DE MEDIDAS DE RADIAÇÃO:
Piranômetros
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Balanço de Radiação em superfícies vegetadas:
Medidas do saldo de radiação (Rn) sobre gramado, obtidas com o sensor CNR1, 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 balanço negativo de ondas longas.
Qg = radiação solar na superfície;
Qatm = radiação emetida pela atmosfera;
rQg = parcela da Rad. Solar refletida pela superfícies;
Qsup = rad. Emitida pela superfície.
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BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA:
Mendonça,F., Danni-Oliveira,I.M. 2011(2a.Ed.). Climatologia - noções básicas e climas do Brasil. (Itens 2.2 e 2.3). São Paulo: Ed. Oficina de Textos.
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Exercício no. 1
Com base na tabela abaixo:
Descreva a variação dos valores máximos e mínimos de radiação solar considerando a latitude de cada localidade.
Calcule a amplitude de variação da radiação solar para cada localidade.
Descreva a variação dos valores de amplitude considerando a latitude de cada localidade.
		Localidades
		Radiação Solar
		Amplitude
(ly/dia)
		
		Máxima (ly/dia)
		Mês
		Mínima (ly/dia)
		Mês
		
		RS (todo Estado)
SP (todo Estado)
Salvador-BA
Recife-PE
		539
522
513
455
		Jan
Dez
Dez
Nov
		219
272
283
303
		Jun
Jun
Jul
Jun
		
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