Radiação Solar como forçante...
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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.
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← 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