Física com o Jofrenildo: junho 2011

RADIAÇÃO TERRESTRE

Quando a atmosfera absorve radiação terrestre ela se aquece e eventualmente irradia esta energia, para cima e para baixo, onde é novamente absorvida pela Terra. Portanto, a superfície da Terra é continuamente suprida com radiação da atmosfera e do Sol. Esta energia será novamente emitida pela superfície da Terra e uma parte retornará à atmosfera que, por sua vez, reirradiará uma parte para a Terra e assim por diante. Este jogo entre a superfície da Terra e a atmosfera torna a temperatura média da Terra ~ 35° C mais alta do que seria. Sem os gases absorvedores da nossa atmosfera, a Terra não seria adequada para a vida humana e muitas outras formas de vida.

Este fenômeno extremamente importante tem sido denominado efeito estufa, porque pensava-se que as estufas fossem aquecidas da mesma forma. O vidro em uma estufa permite a entrada de radiação de onda curta, que é absorvida pelos objetos no interior. Estes objetos reirradiam, mas em ondas longas, para as quais o vidro é quase opaco. O calor, portanto, é retido na estufa. A retenção da radiação infravermelha pelo vidro, contudo, é apenas parte da razão pela qual uma estufa retém calor interno. Já foi demonstrado que as estufas atingem altas temperaturas porque o vidro protege do vento, restringindo as perdas de calor por convecção e advecção (ver próxima seção).

A importância do vapor d'água e dióxido de carbono em manter a atmosfera aquecida é bem conhecida em regiões montanhosas. Topos de montanhas recebem mais radiação que os vales durante o dia, porque há menos atmosfera a atravessar. A noite, porém, a atmosfera menos densa também permite maior perda de calor. Este fator mais que compensa a radiação extra recebida e, como resultado, os vales permanecem mais quentes que as montanhas adjacentes, mesmo recebendo menos radiação.

As nuvens, assim como o vapor d'água e o CO2, são bons absorvedores de radiação infravermelha (terrestre) e tem papel importante em manter a superfície da Terra aquecida, especialmente à noite. Uma grossa camada de nuvens pode absorver a maior parte da radiação terrestre e reirradiá-la de volta. Isto explica porque em noites secas e claras a superfície se resfria bem mais que em noites úmidas ou com nuvens. Mesmo uma cobertura fina, através da qual a lua é visível, pode elevar a temperatura noturna em torno de 5 ° C.

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Há três mecanismos conhecidos para transferência de calor: radiação, condução e convecção (Fig. 2.13).

Como vimos, a radiação consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.

A condução ocorre dentro de uma substância ou entre substâncias que estão em contato físico direto. Na condução a energia cinética dos átomos e moléculas (isto é, o calor) é transferida por colisões entre átomos e moléculas vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (moléculas com maior energia cinética) para as temperaturas mais baixas (moléculas com menor energia cinética). A capacidade das substâncias para conduzir calor (condutividade) varia consideravelmente. Via de regra, sólidos são melhores condutores que líquidos e líquidos são melhores condutores que gases. Num extremo, metais são excelentes condutores de calor e no outro extremo, o ar é um péssimo condutor de calor. Conseqüentemente, a condução só é importante entre a superfície da Terra e o ar diretamente em contato com a superfície. Como meio de transferência de calor para a atmosfera como um todo a condução é o menos significativo e pode ser omitido na maioria dos fenômenos meteorológicos.

A convecção somente ocorre em líquidos e gases. Consiste na transferência de calor dentro de um fluído através de movimentos do próprio fluído. O calor ganho na camada mais baixa da atmosfera através de radiação ou condução é mais freqüentemente transferido por convecção. A convecção ocorre como conseqüência de diferenças na densidade do ar. Quando o calor é conduzido da superfície relativamente quente para o ar sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente é menos denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e força o ar mais quente e menos denso a subir. O ar mais frio é então aquecido pela superfície e o processo é repetido.

Desta forma, a circulação convectiva do ar transporta calor verticalmente da superfície da Terra para a troposfera, sendo responsável pela redistribuição de calor das regiões equatoriais para os pólos. O calor é também transportado horizontalmente na atmosfera, por movimentos convectivos horizontais, conhecidos por advecção. O termo convecção é usualmente restrito à transferência vertical de calor na atmosfera.

Fig. 2.13 - Mecanismos de Transferência de Calor

Na atmosfera, o aquecimento envolve os três processos, radiação, condução e convecção, que ocorrem simultaneamente. O calor transportado pelos processos combinados de condução e convecção é denominado calor sensível.

BALANÇO GLOBAL DE CALOR

Existe um balanço quase perfeito entre a quantidade de radiação solar incidente e a quantidade de radiação terrestre (sistema Terra-atmosfera) retornada para o espaço; caso contrário, o sistema Terra-atmosfera estaria progressivamente se aquecendo ou resfriando. Vamos examinar este balanço na Fig. 2.14, usando 100 unidades para representar a radiação solar interceptada no topo da atmosfera.

Fig. 2.14 - Balanço de Calor da Terra e atmosfera

Da radiação total interceptada pela Terra (sistema Terra-atmosfera), aproximadamente 30 unidades são refletidas de volta para o espaço. As restantes 70 unidades são absorvidas, 19 unidades pela atmosfera e 51 unidades pela superfície da Terra (Terra-oceano). Se toda a energia absorvida pela Terra fosse reirradiada diretamente para o espaço, o balanço de calor da Terra seria muito simples. Contudo, conforme vimos anteriormente, certos gases na atmosfera atuam no sentido de retardar a perda de radiação terrestre, absorvendo uma boa parte dela e reirradiando grande parte desta energia de volta para a Terra. Como resultado deste processo, a superfície da Terra recebe uma grande quantidade de radiação de onda longa da atmosfera (95 unidades). (A atmosfera na realidade emite mais energia que a quantidade de energia solar absorvida pela Terra, devido ao efeito estufa) A superfície da Terra, por sua vez, irradia 116 unidades de energia de onda longa para a atmosfera. Portanto, nesta troca (em onda longa) a atmosfera tem um ganho líquido de 15 unidades, enquanto a Terra tem uma perda líquida de 21 unidades. As restantes 6 unidades passam diretamente através da atmosfera e são perdidas no espaço. A radiação entre 8 micra a 11 micra escapa mais facilmente porque o vapor d'água e o dióxido de carbono não absorvem estes comprimentos de onda (ver Fig. 2.11).

Até agora contamos uma perda de 21 das 51 unidades de radiação de onda curta absorvidas pela superfície da Terra. E as 30 unidades restantes? Parte desta energia é transferida da superfície da Terra para a atmosfera através de calor latente, por moléculas de água durante o processo de evaporação (23 unidades). O calor latente refere-se à quantidade de calor envolvida em mudanças de fase da água. Por exemplo, a mudança da água líquida para vapor exige fornecimento de calor latente, enquanto a transformação de vapor para líquido libera calor latente. Outra parte das 30 unidades é transferida da superfície da Terra para a atmosfera por calor sensível (condução e convecção -7 unidades).

Um balanço geral é obtido porque a atmosfera emite 64 unidades de energia para o espaço como radiação de onda longa, fechando o balanço entre radiação incidente e radiação emitida.

Física com o Jofrenildo

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quarta-feira, 1 de junho de 2011

MATERIAL COMPLEMENTAR

TRANSFERÊNCIA DE CALOR