Baixe Radiação e outras Provas em PDF para Oceanografia, somente na Docsity!
O Balan¸co de Radia¸c˜ao da Terra
- 2 de junho de Bianca Sung Mi Kim
- 1 Introdu¸c˜ao Sum´ario
- 2 Procedimentos
- 2.1 Dados
- 2.2 C´alculos
- 2.2.1 Radia¸c˜ao Incidente no Topo da Atmosfera
- 2.2.2 Temperatura da Superf´ıcie Terrestre
- 3 Discuss˜ao e Resultados
- 3.1 Radia¸c˜ao incidente no Topo da Atmosfera
- 3.2 Radia¸c˜ao x Latitude
- 3.3 Albedo para C´eu Claro
- 3.4 Radia¸c˜ao Solar de Onda Curta Refletida da Terra
- 3.5 Radia¸c˜ao Total Incidente
- 3.6 Radia¸c˜ao de Onda Longa
- 4 Conclus˜ao
1 INTRODUC¸ AO˜ 2
1 Introdu¸c˜ao
Podemos afirmar que toda a energia dispon´ıvel para os processos que ocorrem na Terra s˜ao provenientes do Sol, e que essa energia sofre um balan¸co ao atingir o planeta. Usando a teoria de emiss˜ao e absor¸c˜ao de radia¸c˜ao por corpo negro e considerando o sistema Terra-Sol, podemos obter um modelo para estimar a temperatura m´edia da superf´ıcie terrestre. Ao atingir a Terra, quando o c´eu est´a sem a prensen¸ca de nuvens, cerca de 30% dessa radia¸c˜ao ´e refletida de volta para o espa¸co como radia¸c˜ao de onda curta, chamada de albedo. A parte da energia que ´e absorvida pelo planeta e reemitida, ´e na forma de onda longa. O presente exerc´ıcio tem como objetivo conhecer o balan¸co de radia¸c˜ao e os fenˆomenos que mais o influenciam.
2 Procedimentos
2.1 Dados
Foram usados dados obtidos atrav´es do programa americano Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), que foi desenhado para coletar informa¸c˜oes sobre a luz incidente, refletida e o calor liberado pela Terra para o espa¸co. Em outubro de 1984, o ERBE desenvolveu trˆes sat´elites: ERBs, NOAA-9 e NOAA-10. Cada sat´elite est´a equipado com instrumentos especiais que medem a radia¸c˜ao de trˆes maneiras:
- Total: Radia¸c˜ao com ondas de 0,2 a 50 microns
- Onda Longa: Radia¸c˜ao com ondas de 5 a 50 microns
- Onda Curta: Radia¸c˜ao com ondas de 0,2 a 5 microns
Os dados ERBE incluem radia¸c˜ao de onda curta refletida pela superf´ıcie da Terra e radia¸c˜ao de onda longa emitida da Terra. Esses dados s˜ao processados por mˆes equivalente a leitura do sat´elite e s˜ao fornecidos em grade nas linhas de latitude e longitude. Nesta grade, as latitudes variam de 88,75 N ate 88,75 S em intervalos de 2.5◦, e as longitudes variam de 1,25 E ate 1,25 W em intervalos de 2.5◦. Assim, existem 144 pontos de grade nas longitudes e 72 nas latitudes.
E poss´´ ıvel obter dados de trˆes tipos: clear-sky, que s˜ao medidas de radia¸c˜ao m´edia do sat´elite com o c´eu livre de nuvens, cloud-forcing, que ´e a diferen¸ca entre a radia¸c˜ao com o c´eu limpo e com nuvens, e total, que s˜ao medidas de radia¸c˜ao m´edia do sat´elite sobre um mˆes inteiro com o c´eu coberto de nuvens.
Dados de clear-sky incluem diferentes vari´aveis medidas pelo sat´elite como: albedo, que ´e a raz˜ao entre a radia¸c˜ao de onda curta incidida e refletida pela Terra, longwave radiation, que ´e a radia¸c˜ao de onda longa emitida pela Terra, shortwave radiation, que ´e a radia¸c˜ao de onda curta refletida da Terra, e net radiation, que ´e a diferen¸ca entre a radia¸c˜ao de onda curta dispon´ıvel no sistema clim´atico da Terra (depois da reflex˜ao) e a radia¸c˜ao de onda longa emitida para o espa¸co.
2.2 C´alculos
2.2.1 Radia¸c˜ao Incidente no Topo da Atmosfera
- A varia¸c˜ao da radia¸c˜ao incidente no topo da atmosfera se d´a pela f´ormula:
I = I 0 .cos(θ)
Onde:
(a) I ´e o fluxo de radia¸c˜ao incidente (b) I 0 ´e a constante solar (I 0 =1367 W/m^2 ) (c) θ ´e a latitude
Figura 2: Radia¸c˜ao incidente versus Latitude em situa¸c˜ao de Equin´ocio
3.2 Radia¸c˜ao x Latitude
O valor m´aximo de incidˆencia da radia¸c˜ao ocorre na regi˜ao equatorial, onde o valor do cosseno do ˆangulo de incidˆencia ´e m´aximo e igual a um. Por outro lado, a incidˆencia de radia¸c˜ao ´e m´ınima nas regi˜oes polares, uma vez que o cosseno do ˆangulo de incidˆencia ´e m´ınimo, igual a zero. Dessa maneira se delineia uma situa¸c˜ao de equil´ıbrio entre a incidˆencia em ambos os hemisf´erios.
Figura 3: Incidˆencia vs Latitude com o planeta com ˆangulo de inclina¸c˜ao de 23.5◦
As figuras indicam que nas situa¸c˜oes em que o planeta encontra-se inclinado, a ´area de incidˆencia m´axima de radia¸c˜ao ´e deslocada para norte ou ao sul do Equador, o que indica as situa¸c˜oes de inverno e ver˜ao nos hemisf´erios sul e norte, respectivamente.
A curva de equin´ocio indica uma distribui¸c˜ao eq¨uitativa da incidˆencia da radia¸c˜ao no planeta, configurando- se numa situa¸c˜ao intermedi´aria entre os dois solst´ıcios.
O que parece ser um fenˆomeno n˜ao f´ısico apresentado nos gr´aficos,´e a presen¸ca de valores negativos para incidˆencia de radia¸c˜ao nas latitudes de 90 a 70 com ˆangulo de inclina¸c˜ao do planeta igual a -23,5◦^ e entre as latitudes -70 e -90 com o ˆangulo de inclina¸c˜ao do planeta igual a 23,5◦. Isso indicaria que em per´ıodo de inverno, a Terra estaria emitindo radia¸c˜ao ao inv´es de receber do Sol. Isso n˜ao ´e compat´ıvel com o que ocorre na realidade, portanto para que se corrija tal erro, ´e preciso que se fa¸ca os valores de incidˆencia de radia¸c˜ao tenderem a zero onde eles s˜ao apresentados como negativos. Os novos gr´aficos s˜ao apresentados nas Figuras 5.
Figura 4: Incidˆencia vs Latitude com o planeta com ˆangulo de inclina¸c˜ao de -23.5◦
[Inclina¸c˜ao de 23.5] [Inclina¸c˜ao de -23.5]
Figura 5: Incidˆencia vs Latitude com ˆangulo de inclina¸c˜ao do planeta corrigido
3.3 Albedo para C´eu Claro
O albedo ´e a refletividade de uma superf´ıcie, podendo variar de 0 a 100%, onde a refletividade seria m´axima. A Terra, por exemplo, apresenta um albedo m´edio de 35%.
Figura 6: Albedo para c´eu claro em Janeiro
Na Fig.6 podemos observar o albedo global para o mˆes de janeiro, onde encontramos condi¸c˜oes de ver˜ao para o hemisf´erio sul, e inverno para o hemisf´erio norte. Isso indica uma maior incidˆencia solar no hemisf´erio sul. Atrav´es da an´alise dos dados de albedo, podemos observar maiores ´ındices de refletividade, em torno de 80%, na regi˜ao ant´artica. Altos valores s˜ao encontrados tamb´em no extremo norte do hemisf´erio norte, onde s˜ao observados valores de albedo em torno de 60 a 70%. Os oceanos apresentam um baixo albedo, em torno de 10%, atuando como bons absorvedores de energia, visto que este valor se mant´em est´avel o ano todo.
Na Fig.7 ´e observado o albedo global para o mˆes de mar¸co, no qual delineia-se o in´ıcio da primavera no
hemisf´erio norte e do outono no sul. Os valores de incidˆencia solar s˜ao mais eq¨uitativos, como observado no gr´afico da fig.2. Desta maneira, observamos que os n´ıveis de albedo nas regi˜oes polares giram em torno de 70%, e os oceanos continuam com ´ındices em torno de 10% de refletividade.
A fig 8 ´e representativa do albedo global no mˆes de julho, caracterizado por ver˜ao no hemisf´erio norte e inverno no sul. E interessante observar que os dados de albedo da regi˜´ ao ant´artica n˜ao est˜ao dispon´ıveis. Na regi˜ao da Groelˆandia observam-se os n´ıveis mais altos de albedo, em torno de 70%. As ´areas continentais apresentam albedo em torno de 25 a 30%. Uma observa¸c˜ao a se fazer, ´e que mesmo sendo inverno no hem- isf´erio sul os ´ındices de refletividade n˜ao s˜ao t˜ao diferenciados dos valores de refletividade no ver˜ao. Isso se faz ainda mais acentuado ao notarmos que no hemisf´erio norte h´a um desbalan¸co entre os albedos de ver˜ao e inverno, sendo que o de inverno ´e maior que o de ver˜ao.
Na fig.9, h´a a representa¸c˜ao do albedo global referente ao mˆes de setembro. Nessa ´epoca h´a caracter´ısticas de equin´ocio, e assim como em mar¸co, as caracter´ısiticas de refletˆancia s˜ao bastante eq¨uitativas no planeta.
3.4 Radia¸c˜ao Solar de Onda Curta Refletida da Terra
Figura 10: Radia¸c˜ao de Onda Curta em Janeiro
Figura 11: Albedo em Fevereiro
Analisando-se os dados de albedo e de radia¸c˜ao de onda curta, podemos estabelecer uma rela¸c˜ao entre os dados. Observando as figuras 6, 11 e 7 (relacionadas ao albedo de janeiro, fevereiro e mar¸co, respectivamente), e as figuras 10, 12 e 13(relacionadas a radia¸c˜ao de onda curta,em janeiro, fevereiro e mar¸co, respectivamente) podemos observar que no mˆes de janeiro, ver˜ao no hemisf´erio sul, h´a uma maior incidˆencia da radia¸c˜ao sobre
Figura 12: Radia¸c˜ao de Onda Curta em Fevereiro
Figura 13: Radia¸c˜ao de Onda Curta em Mar¸co
3.6 Radia¸c˜ao de Onda Longa
Evidentemente, a temperatura da Terra n˜ao ´e zero absoluto, portanto o planeta irradia energia. Considerada a temperatura m´edia do planeta, esta emiss˜ao ocorre na faixa do infravermelho do espectro e implica numa perda de energia de aproximadamente 66 W.m-2 sobre os oceanos, valor que pouco varia latitudinalmente. (Sato, 2005). A estimativa dessa energia ´e feita atrav´es da Equa¸c˜ao de Stefan-Boltzmman (descrita na se¸c˜ao 2.2.2).
A radia¸c˜ao de corpo negro emitida pelo planeta n˜ao ´e necessariamente toda perdida para o espa¸co, parte dela pode ser absorvida e re-emitida para os oceanos e pela atmosfera. Desta maneira, a atmosfera desem- penha papel importante na manuten¸c˜ao da temperatura. Isso ´e n´ıtido quando comparamos a temperatura estimada para o planeta sem a atmosfera -19◦C, e com a atmosfera, que fica em torno de 10◦C.
Figura 16: Radia¸c˜ao de Onda Longa em Janeiro
Figura 17: Radia¸c˜ao de Onda Longa em Mar¸co
Analisando-se os dados de radia¸c˜ao de onda longa, temos um ´ındice de emiss˜ao relativamente est´avel na regi˜ao equatorial, girando em torne de 280 a 300 W/m2 durante o ano todo. As diferen¸cas mais significativas, em car´ater sazonal, mostram-se nas ´areas de m´edias e altas latitudes. Em janeiro, apresenta-se na regi˜ao do p´olo norte, um valor pr´oximo de 160W/m2, e nas m´edias latitudes do hemisf´erio norte o valor encontrado para radia¸c˜ao de onda longa ´e em torno de 180 a 220 W/m2. J´a na Ant´artica, os valores de radia¸c˜ao de onda longa giram em torno de 180 a 200 W/m2, e nota-se que o Oceano Austral apresenta valores pr´oximos de 240 W/m2. Essa tendˆencia se mant´em em mar¸co. Mas quando se toma julho, inverno no hemisf´erio sul, a situa¸c˜ao difere do encontrado nos in´ıcio do ano. N˜ao s˜ao obtidos dados de radia¸c˜ao de onda longa para a regi˜ao da Ant´artica, e nas altas latitudes do hemisf´erio norte, os valores encontrados s˜ao em torno de 230
Figura 18: Radia¸c˜ao de Onda Longa em Julho
Figura 19: Radia¸c˜ao de Onda Longa em Setembro
Figura 20: Rela¸c˜ao entre os valores de onda longa e a temperatura, obtida atrav´es da rela¸c˜ao de Stefan- Boltzmman
