Radiação

Radiação

O Balanco de Radiacao da Terra

Bianca Sung Mi Kim 2 de junho de 2011

Sumario 1 Introducao 2

2.1 Dados2
2.2 Calculos2
2.2.1 Radiacao Incidente no Topo da Atmosfera2
2.2.2 Temperatura da Superfıcie Terrestre3

2 Procedimentos 2

3.1 Radiacao incidente no Topo da Atmosfera3
3.2 Radiacao x Latitude4
3.3 Albedo para Ceu Claro5
3.4 Radiacao Solar de Onda Curta Refletida da Terra7
3.5 Radiacao Total Incidente9
3.6 Radiacao de Onda Longa10

1 Introducao

Podemos afirmar que toda a energia disponıvel para os processos que ocorrem na Terra sao provenientes do Sol, e que essa energia sofre um balanco ao atingir o planeta. Usando a teoria de emissao e absorcao de radiacao por corpo negro e considerando o sistema Terra-Sol, podemos obter um modelo para estimar a temperatura media da superfıcie terrestre. Ao atingir a Terra, quando o ceu esta sem a prensenca de nuvens, cerca de 30% dessa radiacao e refletida de volta para o espaco como radiacao 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 exercıcio tem como objetivo conhecer o balanco de radiacao e os fenomenos que mais o influenciam.

2 Procedimentos

2.1 Dados

Foram usados dados obtidos atraves do programa americano Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), que foi desenhado para coletar informacoes sobre a luz incidente, refletida e o calor liberado pela Terra para o espaco. Em outubro de 1984, o ERBE desenvolveu tres satelites: ERBs, NOAA-9 e NOAA-10. Cada satelite esta equipado com instrumentos especiais que medem a radiacao de tres maneiras:

• Total: Radiacao com ondas de 0,2 a 50 microns

• Onda Longa: Radiacao com ondas de 5 a 50 microns

• Onda Curta: Radiacao com ondas de 0,2 a 5 microns

Os dados ERBE incluem radiacao de onda curta refletida pela superfıcie da Terra e radiacao de onda longa emitida da Terra. Esses dados sao processados por mes equivalente a leitura do satelite e sao fornecidos em grade nas linhas de latitude e longitude. Nesta grade, as latitudes variam de 8,75 N ate 8,75 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 possıvel obter dados de tres tipos: clear-sky, que sao medidas de radiacao media do satelite com o ceu livre de nuvens, cloud-forcing, que e a diferenca entre a radiacao com o ceu limpo e com nuvens, e total, que sao medidas de radiacao media do satelite sobre um mes inteiro com o ceu coberto de nuvens.

Dados de clear-sky incluem diferentes variaveis medidas pelo satelite como: albedo, que e a razao entre a radiacao de onda curta incidida e refletida pela Terra, longwave radiation, que e a radiacao de onda longa emitida pela Terra, shortwave radiation, que e a radiacao de onda curta refletida da Terra, e net radiation, que e a diferenca entre a radiacao de onda curta disponıvel no sistema climatico da Terra (depois da reflexao) e a radiacao de onda longa emitida para o espaco.

2.2 Calculos 2.2.1 Radiacao Incidente no Topo da Atmosfera 1. A variacao da radiacao incidente no topo da atmosfera se da pela formula:

Onde:

(a) I e o fluxo de radiacao incidente

2. Utilizando a radiacao de onda curta refletida pela Terra, e o albedo terrestre, pode-se inferir tambem a radiacao total incidente

Radi = Radref albedo

Onde:

(a) Radi e a radiacao total incidente (b) Radref e a radiacao refletida pela Terra

2.2.2 Temperatura da Superfıcie Terrestre

Usando a equacao de Stefan-Boltzmann, podemos converter os mınimos e maximos de radiacao de onda longa emitida pela Terra em temperatura de superfıcie pela equacao:

Onde:

3 Discussao e Resultados

3.1 Radiacao incidente no Topo da Atmosfera

A regiao mais clara e aquela onde o angulo de incidencia e maximo, no caso, na regiao equatorial, indicada pela area A na figura. Ja na regiao onde ha espalhamento da luz, a area de abrangencia e maior A’, visto que o angulo de incidencia e menor, e consequentemente, apesar de ser maior a area iluminada, a intensidade de radiacao e menor.

Figura 1: Incidencia de Radiacao na Terra

Figura 2: Radiacao incidente versus Latitude em situacao de Equinocio

3.2 Radiacao x Latitude

O valor maximo de incidencia da radiacao ocorre na regiao equatorial, onde o valor do cosseno do angulo de incidencia e maximo e igual a um. Por outro lado, a incidencia de radiacao e mınima nas regioes polares, uma vez que o cosseno do angulo de incidencia e mınimo, igual a zero. Dessa maneira se delineia uma situacao de equilıbrio entre a incidencia em ambos os hemisferios.

Figura 3: Incidencia vs Latitude com o planeta com angulo de inclinacao de 23.5◦

As figuras indicam que nas situacoes em que o planeta encontra-se inclinado, a area de incidencia maxima de radiacao e deslocada para norte ou ao sul do Equador, o que indica as situacoes de inverno e verao nos hemisferios sul e norte, respectivamente.

A curva de equinocio indica uma distribuicao equitativa da incidencia da radiacao no planeta, configurandose numa situacao intermediaria entre os dois solstıcios.

O que parece ser um fenomeno nao fısico apresentado nos graficos,e a presenca de valores negativos para incidencia de radiacao nas latitudes de 90 a 70 com angulo de inclinacao do planeta igual a -23,5◦ e entre as latitudes -70 e -90 com o angulo de inclinacao do planeta igual a 23,5◦. Isso indicaria que em perıodo de inverno, a Terra estaria emitindo radiacao ao inves de receber do Sol. Isso nao e compatıvel com o que ocorre na realidade, portanto para que se corrija tal erro, e preciso que se faca os valores de incidencia de radiacao tenderem a zero onde eles sao apresentados como negativos. Os novos graficos sao apresentados nas Figuras 5.

Figura 4: Incidencia vs Latitude com o planeta com angulo de inclinacao de -23.5◦

[Inclinacao de 23.5] [Inclinacao de -23.5]

Figura 5: Incidencia vs Latitude com angulo de inclinacao do planeta corrigido

3.3 Albedo para Ceu Claro

O albedo e a refletividade de uma superfıcie, podendo variar de 0 a 100%, onde a refletividade seria maxima. A Terra, por exemplo, apresenta um albedo medio de 35%.

Figura 6: Albedo para ceu claro em Janeiro

Na Fig.6 podemos observar o albedo global para o mes de janeiro, onde encontramos condicoes de verao para o hemisferio sul, e inverno para o hemisferio norte. Isso indica uma maior incidencia solar no hemisferio sul. Atraves da analise dos dados de albedo, podemos observar maiores ındices de refletividade, em torno de 80%, na regiao antartica. Altos valores sao encontrados tambem no extremo norte do hemisferio norte, onde sao 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 mantem estavel o ano todo.

Na Fig.7 e observado o albedo global para o mes de marco, no qual delineia-se o inıcio da primavera no

3 DISCUSSAO E RESULTADOS 6 Figura 7: Albedo para ceu claro em Marco

Figura 8: Albedo para ceu claro em Julho

Figura 9: Albedo para ceu claro em Setembro hemisferio norte e do outono no sul. Os valores de incidencia solar sao mais equitativos, como observado no grafico da fig.2 . Desta maneira, observamos que os nıveis de albedo nas regioes 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 mes de julho, caracterizado por verao no hemisferio norte e inverno no sul. E interessante observar que os dados de albedo da regiao antartica nao estao disponıveis. Na regiao da Groelandia observam-se os nıveis mais altos de albedo, em torno de 70%. As areas continentais apresentam albedo em torno de 25 a 30%. Uma observacao a se fazer, e que mesmo sendo inverno no hemisferio sul os ındices de refletividade nao sao tao diferenciados dos valores de refletividade no verao. Isso se faz ainda mais acentuado ao notarmos que no hemisferio norte ha um desbalanco entre os albedos de verao e inverno, sendo que o de inverno e maior que o de verao.

Na fig.9, ha a representacao do albedo global referente ao mes de setembro. Nessa epoca ha caracterısticas de equinocio, e assim como em marco, as caracterısiticas de refletancia sao bastante equitativas no planeta.

3.4 Radiacao Solar de Onda Curta Refletida da Terra

Figura 10: Radiacao de Onda Curta em Janeiro

Figura 1: Albedo em Fevereiro

Analisando-se os dados de albedo e de radiacao de onda curta, podemos estabelecer uma relacao entre os dados. Observando as figuras 6, 1 e 7 (relacionadas ao albedo de janeiro, fevereiro e marco, respectivamente), e as figuras 10, 12 e 13(relacionadas a radiacao de onda curta,em janeiro, fevereiro e marco, respectivamente) podemos observar que no mes de janeiro, verao no hemisferio sul, ha uma maior incidencia da radiacao sobre

3 DISCUSSAO E RESULTADOS 8 Figura 12: Radiacao de Onda Curta em Fevereiro

Figura 13: Radiacao de Onda Curta em Marco hemisferio e, com isso, uma maior reflexao dessas ondas emitidas pelo Sol. Com a evolucao no tempo, ate marco, observamos uma diminuicao na refletividade dessas ondas curtas, em altas latitudes. Isso pode ser explicado devido ao fato de a Terra apresentar uma inclinacao, o que ocasiona diferenca na incidencia solar dependendo da latitude e da estacao do ano, como visto nos graficos 2, 3 e 4. Observa-se tambem que o albedo de janeiro para marco aumenta em altas latitudes do hemisferio norte, contribuindo tambem para o aumento da refletividade das ondas curtas nessas regioes.

3.5 Radiacao Total Incidente

Nao tendo dados de radiacao total incidente no topo da atmosfera, conhecendo a quantidade total de radiacao de onda curta que e refletida e conhecendo o albedo, podemos calcular a quantidade de radiacao incidente, como descrito na secao 2.2.1. Usando-se uma interface grafica, chega-se as Figs. 1 e 12.

Figura 14: Radiacao Incidente em Marco

Figura 15: Radiacao Incidente em Julho

Comparando-se a Fig.1 com a figura 2, representativo do esperado para a incidencia de radiacao solar em equinocio, observamos que, de fato, a distribuicao de radiacao e maxima na regiao equatorial, de distribui equitativamente nas medias latitudes e e mınima nos polos. Como e uma situacao de equinocio, nota-se um equilıbrio entre a distribuicao de radiacao entre os dois hemisferios. Fazendo-se a comparacao entre a Fig.12 e a figura 5a, representativo do esperado para a incidencia de radiacao solar em solstıcio, onde se mostra uma situacao de verao no hemisferio norte, observa-se que se tem a area de maior incidencia deslocada ligeiramente para o norte do Equador. Isso se explica pela obliquidade do planeta e pelo angulo de incidencia dos raios solares. Na Fig. 12 nao sao mostrados os dados de radiacao incidente na regiao Antartica, mas de acordo com a observacao do grafico 5a, espera-se que este valor tenda a zero.

3.6 Radiacao de Onda Longa

Evidentemente, a temperatura da Terra nao e zero absoluto, portanto o planeta irradia energia. Considerada a temperatura media do planeta, esta emissao ocorre na faixa do infravermelho do espectro e implica numa perda de energia de aproximadamente 6 W.m-2 sobre os oceanos, valor que pouco varia latitudinalmente. (Sato, 2005). A estimativa dessa energia e feita atraves da Equacao de Stefan-Boltzmman (descrita na secao 2.2.2).

A radiacao de corpo negro emitida pelo planeta nao e necessariamente toda perdida para o espaco, parte dela pode ser absorvida e re-emitida para os oceanos e pela atmosfera. Desta maneira, a atmosfera desempenha papel importante na manutencao da temperatura. Isso e nıtido 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: Radiacao de Onda Longa em Janeiro

Figura 17: Radiacao de Onda Longa em Marco

Analisando-se os dados de radiacao de onda longa, temos um ındice de emissao relativamente estavel na regiao equatorial, girando em torne de 280 a 300 W/m2 durante o ano todo. As diferencas mais significativas, em carater sazonal, mostram-se nas areas de medias e altas latitudes. Em janeiro, apresenta-se na regiao do polo norte, um valor proximo de 160W/m2, e nas medias latitudes do hemisferio norte o valor encontrado para radiacao de onda longa e em torno de 180 a 220 W/m2. Ja na Antartica, os valores de radiacao de onda longa giram em torno de 180 a 200 W/m2, e nota-se que o Oceano Austral apresenta valores proximos de 240 W/m2. Essa tendencia se mantem em marco. Mas quando se toma julho, inverno no hemisferio sul, a situacao difere do encontrado nos inıcio do ano. Nao sao obtidos dados de radiacao de onda longa para a regiao da Antartica, e nas altas latitudes do hemisferio norte, os valores encontrados sao em torno de 230

3 DISCUSSAO E RESULTADOS 1 Figura 18: Radiacao de Onda Longa em Julho

Figura 19: Radiacao de Onda Longa em Setembro

Figura 20: Relacao entre os valores de onda longa e a temperatura, obtida atraves da relacao de Stefan- Boltzmman

W/m2. O que se observa de modo geral, e que em epocas onde a incidencia de radiacao e mais alta numa determinada area, a tendencia e de a radiacao de ondas longas tambem ser maior, o que faz sentido, visto que se a incidencia e maior, maior sera a absorcao e consequentemente maior a emissao de energia.

4 Conclusao

Atraves da observacao dos dados e dos resultados, pode-se chegar a conclusao de que as variaveis aqui apresentadas se relacionam diretamente. O fato de a Terra ter um angulo de inclinacao, e transladar em torno do Sol, gera um efeito direto sobre os valores de incidencia sobre a superfıcie relacionada tambem com a latitude e estacao do ano. A incidencia de radiacao vai influenciar na quantidade de energia absorvida e refletida pelo planeta, assim como a radiacao de ondas longas, por exemplo, geram efeito direto sobre a temperatura do planeta. Como as areas de emissao e absorcao maximas sao diferenciadas, se faz necessario um sistema para que se equilibrem os balancos de energia no planeta como um todo. Para isso, a atmosfera e processos de circulacao oceanica sao imprescindıveis na redistribuicao e manutencao do calor.

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