Nesta unidade temática, você vai aprender

• A conhecer as características da radiação solar e do espectro eletromagnético;

• A compreender como a atmosfera reage com a radiação solar e terrestre;

• A analisar as causas do efeito estufa atmosférico;

• A compreender o balanço de calor da Terra e a importância das transferências horizontais de energia como calor sensível e latente;

• A converter a temperatura de uma escala para outra.

Radiação solar e balanço energético da atmosfera

Neste capítulo, iremos contemplar a radiação solar e balanço energético da atmosfera.

A radiação solar

O Sol é a fonte de energia da atmosfera e libera constantemente uma parte de sua massa por meio de ondas irradiantes de energia eletromagnética e partículas de alta energia para o espaço. Segundo BARRY e CHORLEY (2013), a quantidade de energia recebida no topo da atmosfera é afetada por quatro fatores: emissão solar; a distância entre o Sol e a Terra; altura do Sol; duração do dia.

Para compreender o comprimento de onda, vamos lembrar da Lei de Wien, que diz que o comprimento de onda da radiação emitida (por um corpo aquecido) é inversamente proporcional à sua temperatura absoluta.

Em média, somente cerca de 43% da radiação de onda curta emitida pelo Sol é absorvida pela superfície do globo. Há três processos atmosféricos: absorção, reflexão e difusão.

O ozônio contido na estratosfera absorve a maior parte da radiação ultravioleta. O vapor d’água absorve a radiação visível em quantidades importantes. As nuvens e poeiras absorvem quantidades que variam de acordo com as condições predominantes. O topo das nuvens pode refletir uma grande parte da radiação solar, devolvendo ao espaço. Uma parte da radiação que chega ao solo pode ser refletida. A radiação solar pode ser também difundida em todas as direções pelos gases e partículas contidos na atmosfera. Uma parte dessa radiação é devolvida para o espaço, enquanto outra parte atinge a superfície da Terra, que é chamada de radiação difusa. Portanto, a radiação solar global é a soma da radiação direta e da radiação difusa (total de radiação que alcança a superfície do solo).

A radiação de onda curta emitida pelo Sol que é absorvida pela superfície do globo se transforma em calor. A temperatura média da superfície da Terra é de, aproximadamente, 15°C, ou seja, muito inferior à temperatura da fotosfera solar, que é de 6000°C. Nesse sentido, a Terra emite radiação de onda longa, na faixa de 4.0µ a 80µ, que se chama radiação terrestre. Essa radiação está situada na parte infravermelha (Figura 1).

Albedo é a razão entre a quantidade de radiação global refletida pela superfície e a radiação global incidente:

Conforme dados do Dicionário da Terra (1996), há uma variabilidade do albedo, conforme a superfície. Por exemplo: o albedo de uma superfície pavimentada como o asfalto é de 5%, na terra lavrada ou na terra marrom exposta é de 8%, no campo verde é de 20%, no campo de trigo seco ou no de azevém seco é de 30%, no deserto arenoso é de 45% e nas montanhas de neve é de 90%.

Diferenças de Temperatura entre Continentes e Mares

O aumento da temperatura da superfície do globo devido à radiação é variável. Depende da profundidade da qual a radiação penetra e do calor específico do material.

Calor específico de uma substância é a quantidade de calor necessária para elevar de um grau centígrado a temperatura de sua unidade de massa. A água tem o maior calor específico. Demora para aquecer, mas também demora para esfriar. Já a areia, dependendo de sua cor, absorve radiação em quantidades variáveis. Seu calor específico é baixo e, portanto, sua temperatura aumenta rapidamente com o calor e à noite, como não há radiação incidente, perde o calor.

No transcurso do dia, as variações de temperatura são muito menos marcadas sobre o mar do que sobre a terra. A variação diurna da temperatura da água do mar na superfície é geralmente inferior a 1° C e, portanto, a temperatura do ar próximo da superfície do mar é também estável em condições de calmaria.

Para as regiões desertas situadas no interior dos continentes, a temperatura do ar pode variar até 20° C entre dia e noite.

Próximo ao litoral, essa variação da temperatura depende muito da direção do vento: a amplitude da variação é muito marcada se o vento sopra da terra, porém é fraca se sopra do mar. As brisas locais de terra e mar tendem também a atenuar a amplitude diurna da temperatura.

Quando o tempo está calmo, a variação diurna da temperatura do ar na superfície é mais acentuada. Se houver vento, o ar é misturado. Portanto, uma amplitude diurna de temperatura pode diminuir quando há vento e, portanto, maior número de moléculas de ar.

A nebulosidade reduz a variação diurna da temperatura. Durante o dia, as nuvens não absorvem ou não difundem mais do que uma pequena parte da radiação solar. A maior parte dessa radiação é refletida para o espaço.

Ao contrário, à noite, as nuvens absorvem a radiação de onda longa difundida ao espaço pela superfície terrestre, e tornam a enviar à superfície a energia calorífica. As nuvens atuam como uma proteção que impede que a superfície terrestre esfrie. Portanto, com o tempo encoberto, a amplitude diurna da temperatura é relativamente fraca.

Assista ao vídeo sobre calor específico: https://www.youtube.com/watch?v=FKTNDJSUEkY

As variações sazonais na energia solar recebida na Terra são mascaradas pela continentalidade no hemisfério norte (maior quantidade de terras emersas) e maritimidade no hemisfério sul (menor quantidade de terras emersas e maior quantidade de massa oceânica). Além disso, há outros fatores geográficos do clima, como a latitude.

Altura do Sol ao meio-dia no solstício de inverno para o Hemisfério Norte e Verão para o Hemisfério Sul

Em um determinado instante, todos os pontos da Terra nos quais o Sol incide a 90° no céu (seu ponto mais alto) pertencem a um mesmo meridiano. Por isso, o meio-dia ocorre simultaneamente em todos os pontos de mesma longitude. Em razão disso, o meio-dia é conhecido, às vezes, como meridiano de passagem do Sol. O ângulo vertical do Sol sobre o horizonte ao meio-dia é denominado altura, a qual pode ser determinada a partir da Figura 6, medindo o ângulo que forma um raio de Sol com a tangente ao globo em uma determinada latitude. Embora a Terra seja esférica, nosso pequeno tamanho faz com que vivamos em um mundo plano. Para nós, o horizonte é visto como uma circunferência sobre uma superfície plana. Isso explica por que a tangente pode ser utilizada em um ponto para medir o ângulo sobre o diagrama. As latitudes e as alturas mais importantes são as seguintes:

Ao aplicar a regra anterior, deve-se medir com bastante cuidado o arco de meridiano compreendido entre o lugar em questão e o paralelo sobre o qual incidem verticalmente os raios do Sol. Pode-se utilizar esse método para determinar a altura do Sol ao meio-dia no Trópico de Capricórnio, no Equador, no círculo polar ártico, no círculo polar antártico e no polo sul. Em primeiro lugar, determina-se o paralelo cuja latitude corresponde à declinação do Sol e, depois, mede-se o arco de meridiano compreendido entre esse paralelo e o lugar que está sendo estudado.

Temperatura do ar

A temperatura de um corpo é a condição que determina se o mesmo tem capacidade para transmitir calor a outros ou para receber calor transmitido por eles. Quando aumenta a temperatura de um corpo, modificam-se certas características físicas deles. Por exemplo: corpos sólidos, líquidos e gasosos se dilatam.

Ocorrem, também, mudanças de estado – sólidos liquefazem-se e líquidos entram em ebulição.

O termômetro é um instrumento que serve para medir temperatura, já o pirômetro de radiação é um instrumento para medir temperaturas muito altas.

Entende-se por temperatura do ar na superfície a temperatura ao ar livre a uma altura compreendida entre 1,25 metros e 2 metros sobre o nível do solo. A temperatura do ar assim definida pode diferir da temperatura do solo. Em um dia quente e ensolarado, a temperatura do solo pode ser superior à temperatura do ar na superfície, enquanto, ao contrário, pode ser inferior durante as noites frias.

Para obter uma leitura representativa da temperatura do ar, os termômetros deverão estar protegidos da radiação solar, da radiação terrestre e da de todos os corpos vizinhos. Os termômetros devem estar convenientemente ventilados, para que indiquem a temperatura do ar livre que circula nas proximidades.

Escalas de Temperaturas Celsius

As escalas práticas de temperaturas se baseiam em dois pontos fixos que correspondem a temperaturas constantes e facilmente reproduzíveis. Os dois pontos fixos reconhecidos internacionalmente são o ponto de fusão do gelo (passa do estado sólido para o estado líquido) e o ponto de ebulição da água (passa do estado líquido para o gasoso).

Escala de Temperaturas Fahrenheit: nesta escala, o ponto de fusão do gelo está fixado em 32° e o ponto de ebulição da água em 212°.

Conversão da temperatura de uma escala para outra

Para obter o valor da escala Fahrenheit que corresponde a uma temperatura dada na escala Celsius, pode ser aplicada a fórmula:

Por exemplo: para converter a temperatura de 20° C em graus Fahrenheit:

O que significa que as temperaturas 20° C e 68° F são idênticas.

Para obter o valor da escala Celsius que corresponde a uma temperatura dada na escala Fahrenheit:

Por exemplo: se F = 95° F, obtemos:

Portanto, 95° F corresponde a 35° C.

Escala de temperatura Kelvin: é muito usada para trabalhos científicos. A relação entre esta escala e a escala Celsius é dada pela fórmula: K = 273.15 +C

Onde K é a temperatura em graus Kelvin. Exemplo: 20°C equivalem a 293.15°K

Esta escala é também denominada de escala absoluta de temperatura. O ponto fixo da escala Kelvin é o ponto triplo da água pura, ou seja, a temperatura na qual a água está em equilíbrio simultaneamente em seus três estados: sólido, líquido e gasoso. A temperatura correspondente a esse ponto é 273.16°K, ou seja, 0,01°K mais que o ponto de fusão.

O pascal (Pa) é uma unidade padrão de pressão e tensão no Sistema Internacional de Unidades. Equivale à força por unidade de área, definida como newton por metro quadrado. 1 bar = 100 000 Pa e 1 milibar = 100 Pa

Um hectopascal (hPa) é um múltiplo decimal do pascal. É uma medida de força por unidade de área definida como 1 newton por metro quadrado: 1 Pa = 0,01 hPa

Variação diurna da temperatura do ar na superfície

No transcurso do dia, as variações de temperatura são muito menos marcadas sobre o mar do que sobre a terra. A variação diurna da temperatura da água do mar na superfície é geralmente inferior a 1° C e, portanto, a temperatura do ar próximo da superfície do mar é também estável em condições de calmaria.

Para as regiões desertas situadas no interior dos continentes, a temperatura do ar pode variar até 20° C entre dia e noite. Próximo ao litoral, essa variação da temperatura depende muito da direção do vento: a amplitude da variação é muito marcada se o vento sopra da terra, porém é fraca se sopra do mar. As brisas locais de terra e mar tendem também a atenuar a amplitude diurna da temperatura.

Quando o tempo está calmo, a variação diurna da temperatura do ar na superfície é mais acentuada. Se houver vento, o ar é misturado. Portanto, uma amplitude diurna de temperatura pode diminuir quando há vento e, portanto, maior número de moléculas de ar.

A nebulosidade reduz a variação diurna da temperatura. Durante o dia, as nuvens não absorvem ou não difundem mais do que uma pequena parte da radiação solar. A maior parte dessa radiação é refletida para o espaço. Ao contrário, à noite, as nuvens absorvem a radiação de onda longa difundida ao espaço pela superfície terrestre, e tornam a enviar a à superfície a energia calorífica. As nuvens atuam como uma proteção que impede que a superfície terrestre esfrie. Portanto, com o tempo encoberto, a amplitude diurna da temperatura é relativamente fraca.