Radiação Solar Incidente - Apostilas - Radiação Solar e Terrestre, Balanço de Calor, Notas de estudo de Física. Universidade Potiguar (UnP)
Gisele
Gisele12 de Março de 2013

Radiação Solar Incidente - Apostilas - Radiação Solar e Terrestre, Balanço de Calor, Notas de estudo de Física. Universidade Potiguar (UnP)

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Apostilas e exercicios de Física sobre o estudo da Radiação Solar Incidente, espalhamento, reflexão, absorção na atmosfera.
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2.7 RADIAÇÃO SOLAR INCIDENTE Embora a atmosfera seja muito transparente à radiação solar

incidente, somente em torno de 25% penetra diretamente na superfície da Terra sem nenhuma interferência da atmosfera, constituindo ainsolação direta. O restante é ou refletido de volta para o espaço ou absorvido ou espalhado em volta até atingir a superfície da Terra ou retornar ao espaço (Fig. 2.10). O que determina se a radiação será absorvida, espalhada ou refletida de volta? Como veremos, isto depende em grande parte do comprimento de onda da energia que está sendo transportada, assim como do tamanho e natureza do material que intervém.

a) ESPALHAMENTO Embora a radiação solar incida em linha reta, os gases e aerossóis

podem causar seu espalhamento, dispersando­a em todas as direções ­ para cima, para baixo e para os lados. A reflexão (veja mais adiante) é um caso particular de espalhamento. A insolação difusa é constituída de radiação solar que é espalhada ou refletida de volta para a Terra. Esta insolação difusa é responsável pela claridade do céu durante o dia e pela iluminação de áreas que não recebem iluminação direta do sol.

As características do espalhamento dependem, em grande parte, do tamanho das moléculas de gás ou aerossóis. O espalhamento por partículas cujo raio é bem menor que o comprimento de onda da radiação espalhada, como o caso do espalhamento da luz visível por moléculas de gás da atmosfera, é dependente do comprimento de onda (espalhamento Rayleigh), de forma que a irradiância monocromática espalhada é inversamente proporcional à 4ª potência do comprimento de onda (

). Esta dependência é a base para explicar o azul do céu. Conforme mencionado anteriormente, grande parte da energia da

radiação solar está contida no intervalo visível, entre o vermelho e o

violeta. A luz azul ( ) tem comprimento de onda menor que

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a luz vermelha ( ). Conseqüentemente, a luz azul é aproximadamente 5,5 vezes mais espalhada que a luz vermelha. Além disso ela é mais espalhada que o verde, amarelo e laranja. Assim, o céu,

longe do disco do sol, parece azul. Como a luz violeta ( ) tem um comprimento de onda menor que a azul, por que o céu não parece violeta? Porque a energia da radiação solar contida no violeta é muito menor que a contida no azul e porque o olho humano é mais sensível à luz azul que à luz violeta. Como a densidade molecular decresce drasticamente com a altura, o céu, visto de alturas cada vez maiores, iria gradualmente escurecer até tornar­se totalmente escuro, longe do disco solar. Por outro lado, o Sol apareceria cada vez mais branco e brilhante. Quando o Sol se aproxima do horizonte (no nascer e por do Sol) a radiação solar percorre um caminho mais longo através das moléculas de ar, e portanto mais e mais luz azul e com menor comprimento de onda é espalhada para fora do feixe de luz, e portanto a radiação solar contém mais luz do extremo vermelho do espectro visível. Isto explica a coloração avermelhada do céu ao nascer e por do Sol. Este fenômeno é especialmente visível em dias nos quais pequenas partículas de poeira ou fumaça estiverem presentes.

Quando a radiação é espalhada por partículas cujos raios se aproximam ou excedem em aproximadamente até 8 vezes o comprimento de onda da radiação, o espalhamento não depende do comprimento de onda (espalhamento Mie). A radiação é espalhada igualmente em todos os comprimentos de onda. Partículas que compõem as nuvens (pequenos cristais de gelo ou gotículas de água) e a maior parte dos aerossóis atmosféricos espalham a luz do Sol desta maneira. Por isso, as nuvens parecem brancas e quando a atmosfera contém grande concentração de aerossóis o céu inteiro aparece esbranquiçado.

Quando o raio das partículas é maior que aproximadamente 8 vezes o comprimento de onda da radiação, a distribuição angular da radiação espalhada pode ser descrita pelos princípios da ótica geométrica. O

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espalhamento de luz visível por gotas de nuvens, gotas de chuva e partículas de gelo pertence a este regime e produz uma variedade de fenômenos óticos como arco íris, auréolas, etc...

Fig. 2.10 ­ Distribuição percentual da radiação solar incidente b) REFLEXÃO Aproximadamente 30% da energia solar é refletida de volta para o

espaço (Fig. 2.10). Neste número está incluída a quantidade que é retroespalhada. A reflexão ocorre na interface entre dois meios diferentes, quando parte da radiação que atinge esta interface é enviada de volta. Nesta interface o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (lei da reflexão). Conforme já mencionamos, a fração da radiação incidente que é refletida por uma superfície é o seu albedo. Portanto, o albedo da Terra como um todo (albedo planetário) é 30%. O albedo varia no espaço e no tempo, dependendo da natureza da superfície (ver Tab. 2.1) e da altura do Sol. Dentro da atmosfera, os topos das nuvens são os mais importantes refletores. O albedo dos topos de nuvens depende de

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sua espessura, variando de menos de 40% para nuvens finas (menos de 50m) a 80% para nuvens espessas (mais de 5000m).

c) ABSORÇÃO NA ATMOSFERA O espalhamento e a reflexão simplesmente mudam a direção da

radiação. Contudo, através da absorção, a radiação é convertida em calor. Quando uma molécula de gás absorve radiação esta energia é transformada em movimento molecular interno, detectável como aumento de temperatura. Portanto, são os gases que são bons absorvedores da radiação disponível que tem papel preponderante no aquecimento da atmosfera.

A Fig. 2.11 fornece a absortividade dos principais gases atmosféricos em vários comprimentos de onda. O Nitrogênio, o mais abundante constituinte da atmosfera (ver Tab. 1.1) é um fraco absorvedor da radiação solar incidente, que se concentra principalmente nos

comprimentos de onda entre 0,2  e 2 . A fotodissociação do oxigênio (entre 50 a 110 km de altitude)

( 2 . 1 5 )

absorve virtualmente toda radiação solar ultravioleta para

. O oxigênio atômico assim obtido é altamente reativo, sendo de particular importância a reação

( 2 . 1

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6 )

 que é o mecanismo dominante para a produção de ozônio na atmosfera (M é uma 3ª molécula necessária para retirar o excesso de energia liberada na reação). Como a probabilidade de ocorrência desta reação cresce com o quadrado da densidade do gás, o oxigênio atômico é estável na alta mesosfera e termosfera, enquanto na estratosfera ele se combina rapidamente para formar o ozônio.

A radiação ultravioleta para   é absorvida na reação de fotodissociação do ozônio (na estratosfera, entre 20 a 60 km)

( 2 . 1 7 )

O átomo de oxigênio combina rapidamente com   para formar

outra molécula de  , pela (2.16). Quando (2.17) e (2.16) ocorrem seqüencialmente não há mudança na estrutura química, mas somente absorção de radiação e resultante entrada de calor e aumento de temperatura na estratosfera.

O único outro absorvedor significativo da radiação solar incidente é o vapor d'água que, com o oxigênio e o ozônio, respondem pela maior parte dos 19% da radiação solar que são absorvidos na atmosfera.

Da Fig. 2.11 vemos que na atmosfera como um todo, nenhum gás

absorve efetivamente radiação entre 0,3   e 0,7  ; portanto, existe uma larga "janela". Esta região do espectro corresponde ao intervalo visível ao qual pertence uma grande fração da radiação solar. Pode­se dizer que a atmosfera é bastante transparente à radiação solar incidente pois absorve

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apenas 19% de sua energia e que, portanto, esta não é um aquecedor eficiente da atmosfera.

A maior parte da absorção da radiação solar em comprimentos de onda do intervalo infravermelho deve­se ao vapor d'água e ocorre na troposfera, onde a maior parte do vapor d'água está localizado. Esta parte da absorção apresenta grande variabilidade devido à distribuição do vapor d'água.

Fig. 2.11 ­ Absortividade de alguns gases da atmosfera e da atmosfera como um todo. A Fig. 2.12 mostra o espectro da radiação solar que atinge a

superfície da Terra para o caso do Sol no zênite (altura = 90° ) (curva inferior), juntamente com o espectro da radiação solar incidente no topo da atmosfera (curva superior). A área entre as duas curvas representa a diminuição da radiação devido a: 1) retroespalhamento e absorção por nuvens e aerossóis e retroespalhamento por moléculas do ar (área não sombreada) e 2) absorção por moléculas do ar (área sombreada).

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Fig. 2.12 ­ Espectro da radiação solar no topo da atmosfera (curva superior) e no nível do mar (curva inferior), para atmosfera média e sol no zênite.

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