Radiação Solar como forçante

climática

•O Sol fornece 99,97 %

•Emite 2,34 x1022 MJ/min.

•Terra intercepta apenas 1,06 x 1013 MJ (milionésimo)

•Milhares de vezes maior que consumo anual de

energia no planeta.

•Radiação solar é a fonte de energia nos fenômenos

termodinâmicos da atmosfera terrestre.

SOL

TERRA

LINHAS DO CAMPO MAGNÉTICO

TEMPESTADE SOLAR

Características gerais do Sol

• Esfera de gases incandescentes.

•T centro =14.000.000 K

•T superfície = 6000 K

• 80% de hidrogênio e 18% de hélio.

• principais componentes: hidrogênio (75%) e hélio

(25%) + elementos mais pesados (ferro, silício, neônio

e carbono) – Fusão Nuclear (Hidrogenio convertido em

Hélio)

•Massa ~ 2.1030 kg

Fatores que caracterizam o estado climático:

1. a quantidade de energia proveniente do sol

recebida pelo sistema climático

2. a maneira pela qual esta energia é distribuída e

absorvida sobre a superfície da Terra;

3. a natureza da interação dos processos entre vários

componentes do sistema climático.

DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL DA RADIAÇÃO SOLAR

MÁXIMO SOLAR

MINIIMO SOLAR

COMPRIMENTO DE ONDA ( Å )

LO

G I

RAIOS X + UV

LEIS DA RADIAÇÃO

REFLEXÃO, ABSORÇÃO E TRANSMISSÃO

E = A + R + T

DIVIDINDO POR E

+ + = 1

E

LEI DE STEFAN-BOLTZMAN = ENERGIA EMITIDA POR UM CORPO

ROL = εσTe 4 , ONDE

ε = EMISSIVIDADE DO CORPOσ = CONSTANT DE BOLTZMAN = 5.67X10-8 W/m2/K

Te = TEMPERATURA EFETIVA

NUVENS ALTAS (Cb) TEM TOPO FRIO, Te É BAIXA, IRRADIAM MENOS

NUVENS BAIXAS TEM TOPO QUENTE, Te É ALTA, IRRADIAM MAIS

EXEMPLOS: Te = 200 K [- 73ºC] → ROL = 90 W / m2

Te = 273 K [ 0ºC] → ROL = 315 W / m2

Te = 300 K [27ºC] → ROL = 460 W / m 2

Lei de Wien:

λm em micrometros e T em graus Kelvin.

• Estima-se a temperatura de uma fonte de radiação sabendo-se o espectro de emissão.

• Radiação solar → concentrada nas regiões visível (0,4-

0,7µm) e infravermelho próximo (0,7-4µm) do espectro

• Radiação emitida pelos planetas e suas atmosferas →

confinada ao infravermelho (>4µm)

SOL TERRA

COMPRIMENTO DE ONDA (µm)

Un

idad

es relativ

as d

e energ

ia

Un

idad

es relativ

as d

e energ

ia

Ultra-

violetaVisível Infravermelho

Figura 01 - Comparação entre o espectro de emissão do Sol e daTerra.Fonte: Adaptado de http://wxpaos09.colorado.edu/radiation/background.html.

Espectro eletromagnético:

Raios

gama

Raios X Raios UV Raios infravermelhos Radar FM TV Ondas

curtas

AM

Luz visível

Comprimento de onda (m)

Comprimento de onda (nanometros)

Figura 02 - Espectro eletromagnético. Fonte: adaptado de http://www.yorku.ca/eye/spectru.htm

SALDO DE RADIAÇÃO DE ONDA CURTA

Balanço de Radiação

RADIAÇÃO DE ONDAS CURTAS (ROC)

ESPECTRO SOLAR

ULTRAVIOLETA 0,100 ≤ λ ≤0,400 μm 8,3%

DISTRIBUIÇÃO DE RADIAÇÃO SOLAR

POR BANDAS ESPECTRAIS

UVC 0,100 ≤ λ ≤0,280 μm 0,5%

UVB 0,280 ≤ λ ≤0,315 μm 1,5%

UVA 0,315 ≤ λ ≤0,400 μm 6,3%

Estratopausa

Tropopausa

ULTRAVIOLETA 0,100 ≤ λ ≤0,400 μm 8,3%

DISTRIBUIÇÃO DE RADIAÇÃO SOLAR

POR BANDAS ESPECTRAIS

UVC 0,100 ≤ λ ≤0,280 μm 0,5%

UVB 0,280 ≤ λ ≤0,315 μm 1,5%

UVA 0,315 ≤ λ ≤0,400 μm 6,3%

VISÍVEL 0,40 ≤ λ ≤0,76 μm 45,0%

ULTRAVIOLETA 0,100 ≤ λ ≤0,400 μm 8,3%

DISTRIBUIÇÃO DE RADIAÇÃO SOLAR

POR BANDAS ESPECTRAIS

UVC 0,100 ≤ λ ≤0,280 μm 0,5%

UVB 0,280 ≤ λ ≤0,315 μm 1,5%

UVA 0,315 ≤ λ ≤0,400 μm 6,3%

VISÍVEL 0,40 ≤ λ ≤0,76 μm 45,0%

INFRAVERMELHO 0,76 ≤ λ ≤4,00 μm 46,7%

RADIAÇÃO DE ONDAS LONGAS (ROL)

ESPECTRO TERRESTRE

INFRAVERMELHO TÉRMICO

4 μm ≤ λ ≤ 100 μm

ABSORÇÃO DE ROL PELA ATMOSFERA

U

8 m JANELA 12 m

COMPONENTES DE RADIAÇÃO DO PLANETA TERRA

Radiação

infravermelha emitida

(ROL)

Radiação solar

incidente (ROC)

Radiação

solar

refletida

=ROC ROL

EFEITOS DE NUVENS NA RADIAÇÃO SOLAR E TERRESTRE

EFEITO ESTUFA

• Forma que a Terra tem para manter suatemperatura constante → impede que raios solaressejam refletidos para o espaço e que o planeta percaseu calor → fenômeno natural.

• Atmosfera transparente à OC e opaca à OL → Vapord´água, CO2 e outros gases → absorvem radiaçãomais intensamente no trecho de OL do espectro →

radiação terrestre.

• Efeito estufa intensificado ou antropogênico → ↑

concentração de gases traço no ar → absorvem luzIR térmica → redirecionamento de ↑ quantidade deenergia IR refletida → aumento da temperaturamédia da superfície além dos 15ºC.

Figura 05 – Esquema do efeito estufa na atmosfera. Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/ozonio6.htm

GásAbundância

atual

Tempo de residência

(anos)

Taxa de eficiência de aquecimento (por

molécula)

CO2 365ppm 50-200 1

CH4 1,72ppm 12 21

N2O 312ppb 120 206

CFC-11 0,27ppb 50 12400

Halon-1301 0,002ppb 65 16000

HCFC-22 0,11ppb 12 11000

HFC134a 2ppt 15 9400

Tabela 1 – Principais gases estufa e seu potencial de aquecimento global. Estimativa de contribuição ao aumento do efeito estufa. Fonte: adaptado de Baird, 2002.

Baseado nestes fatores, as teorias das causas

das

“mudanças climáticas” podem ser classificadas

em:

1. Causas terrestres (mudança na atmosfera e/ou

superfície),

erupções

2. Causas astronômicas e

3. Causas extraterrestres

Causas astronômicas

•mudanças na excentricidade da órbita terrestre,

•na precessão dos equinócios e

•na obliqüidade do plano da eclíptica

PARÂMETROS ORBITAIS (CICLOS DE

MILANKOVITCH)

• EXCENTRICIDADE DA ÓRBITA

• INCLINAÇÃO DO EIXO DE ROTAÇÃO

• PRECESSÃO DO EIXO DE ROTAÇÃO

Excentricidade da órbita terrestre

PERÍODO: ~100 MIL ANOS

VARIA ENTRE. 0,001 ≤ ε ≤ 0,057 ATUAL = 0,017

Quanto mais próximo a 0 mais circular

EXCENTRICIDADE DA ÓRBITA

X 1.000 ANOS ATRÁS

EX

CE

NT

RIC

IDA

DE

Excentricidade da órbita terrestre

No periélio (04/01) a recepção de energia é 6% > afélio

(04/07)

• Daqui a 24 mil anos valor mínimo

Duração das quatro estações

Alteração na quantidade de radiação

Quanto menor a excentricidade da órbita eclíptica,

menores serão as diferenças na duração das

estações, sendo contrário também verdadeiro.

Esquema do movimento de

precessão semelhante ao de

um pião.

Precessão dos equinócios

Precessão dos equinócios

• Periodicidade de ~ 26.000 anos

• Polaris, mas há 14000 anos apontava para a estrela

Vega

• Causa provável: Atração gravitacional entre o Sol, a

Terra e a Lua

•Mudança na quantidade de radiação conforme o

período do ano (estação)

Obliqüidade do plano da eclíptica

VARIA ENTRE. 21,5º ≤ Θ ≤ 24,5º ATUAL= 23,5º

MENOR INCLINAÇÃO IMPLICA EM MENOR VARIAÇÃO SAZONAL, VERÕES MAIS

AMENOS (MENOR DERRETIMENTO DE NEVE ) E INVERNOS MAIS QUENTES

Obliqüidade do plano da eclíptica

• periodicidade de aproximada de 41.000 anos

• As estações resultam desta inclinação

•Diminuição na obliqüidade da eclíptica diminuiria as

diferenças entre as estações. aumentaria a distinção

entre as zonas climáticas.

•Um aumento no ângulo causaria marcantes

diferenças sazonais, porém as zonas geográficas

seriam menos distintas.

--------------------------------------

← passado futuro →

Superposição dos ciclos de Milankovitch

Precessão

Obliquidade

Excentricidade

excentricidade precessão inclinaçãoRadiação Solar

65ºN (W/m-2)

TE

MP

O (em

k a

nos)

Efeito dos ciclos na radiação solar em 65ºN

|

Causas extraterrestres

• alterações na quantidade de energia solar que

chega a Terra

• output solar (mancha solar, erupção solar, ejeção de

massa, proeminências..)

• Poeira estelar

• Existem flutuações cíclicas (11, 22, 44 anos...)

• Manchas solar (ciclos de 11 anos)

‘ CONSTANTE SOLAR ’ ( 1370 W

m-2 )

RA

DIA

ÇÃ

O [ W

m-2

]

Mancha Solar

Manchas solares - Ciclos de 11 anos

Período de baixas

temperaturas

Indicadores do clima do passado

• Anel de árvore

• Núcleo de gelo

• Núcleo de recifes de coral

• Núcleo de sedimentos no chão de oceanos

• Sedimento terrestre

Anel de árvore

Árvores crescem em duas fases distintas cada ano, formando um

anel de crescimento do ano.

• Primavera/Verão

• Verão/Outono

Árvore de mais longa vida - PinusLongaeva (Bristlecone pine) , 4765 anos.

Núcleo de gelo

•Formação das geleiras

•principais locais de coleta.

•Característica das amostras

•Amostra mais antiga

•3546 m/ 400 mil anos.

•Material encontrado

Núcleo de sedimentos no

chão de oceanos

Nos fundos dos oceanos acumulam sedimentos de materiais produzidos biologicamente, materiais

trazidos por atmosfera e água.

Taxa de acúmulo de sedimentos:

- 1-4 cm por mil anos.

-10-40m por milhão de anos

Resultados de pesquisas:

72.000 metros; 2milhões de anos de dados

Razão 18O/ 16O

Quanto mais baixa for a

temperatura num dado período

de tempo, maior a quantidade do

isótopo de 18O contém a

neve que se acumula