Radiação Solar e Terrestre: Elementos e Fatores do Clima

Elementos e Fatores do Clima

Radiação Solar e Terrestre

O Sol é a fonte de energia que controla a circulação da atmosfera. O Sol emite energia em forma de radiação eletromagnética, da qual uma parte é interceptada pelo sistema Terra-atmosfera e convertida em outras formas de energia como, por exemplo, calor e energia cinética da circulação atmosférica. É importante notar que a energia pode ser convertida, mas não criada ou destruída. É a lei da conservação da energia.

A energia solar não é distribuída igualmente sobre a Terra. Esta distribuição desigual é responsável pelas correntes oceânicas e pelos ventos que, transportando calor dos trópicos para os polos, procuram atingir um balanço de energia. Inicialmente, vamos abordar as causas dessa distribuição desigual, temporal e espacial. Estas causas residem nos movimentos da Terra em relação ao Sol e também em variações na superfície da Terra. Depois, examinaremos as propriedades básicas da radiação eletromagnética, como a radiação interage com o sistema Terra-atmosfera e sua conversão em calor.

Características do Sol

• Esfera gasosa e luminosa;
• Sua superfície possui temperatura aproximada de 6.000 °C;
• Emite energia em ondas eletromagnéticas, que se propagam à razão de aproximadamente 299.300 km/s;
• A energia que parte radialmente do Sol leva 9 1/3 minutos para chegar ao planeta Terra;
• O Sol fornece 99,97% da energia utilizada no sistema Terra-atmosfera;
• A cada minuto, o Sol irradia cerca de 56 × 10²⁶ cal de energia. A Terra somente intercepta 2,55 × 10⁻⁹ do total.

Radiação solar – maior fonte de energia para a Terra, principal elemento meteorológico e um dos fatores determinantes do tempo e do clima. Além disso, afeta diversos processos: físicos (aquecimento/evaporação), biofísicos (transpiração) e biológicos (fotossíntese).

Constante Solar

A quantidade de energia solar recebida, por unidade de área, por uma superfície que forme ângulos retos com os raios do Sol no topo da atmosfera é de aproximadamente 2 langleys/min.

Ângulo Zenital

Raramente o Sol ocupa a posição de zênite; entre os trópicos, somente em dois instantes durante o ano, e fora dos trópicos não ocupa nunca a posição zenital.

• Desta forma, sempre haverá um ângulo entre o zênite do local e a posição do Sol, sendo este ângulo conhecido como Ângulo Zenital.
• A incidência solar sobre uma superfície horizontal tem uma inclinação igual a esse ângulo.

Albedo

O albedo é definido como o índice de reflexão dos raios solares. Quanto maior a reflexão, menor será o calor acumulado. Ao atingirem a superfície, os raios solares encontram diferentes materiais como o gelo ou o asfalto. O gelo é muito claro e por isso reflete a maior parte da energia solar (albedo de 50% a 70% e absorve 50% a 30%); a cidade é muito mais escura e reflete apenas de 14% a 18% (absorve 86% a 82% da energia solar). Consequentemente, a cidade é muito mais quente que as superfícies brancas. Por sua vez, as florestas refletem de 3% a 10% e a água reflete de 2% a 4%.

Albedo de superfícies sob diferentes inclinações dos raios solares.

Radiação Eletromagnética

Praticamente toda a troca de energia entre a Terra e o resto do Universo ocorre por radiação, que é a única que pode atravessar o relativo vazio do espaço. O sistema Terra-atmosfera está constantemente absorvendo radiação solar e emitindo sua própria radiação para o espaço. Numa média de longo prazo, as taxas de absorção e emissão são aproximadamente iguais, de modo que o sistema está muito próximo ao equilíbrio radiativo.

A radiação também tem papel importante na transferência de calor entre a superfície da Terra e a atmosfera e entre diferentes camadas da atmosfera. A radiação eletromagnética pode ser considerada como um conjunto de ondas (elétricas e magnéticas) cuja velocidade no vácuo é de c = 3 × 10⁸ m/s. As várias formas de radiação, caracterizadas pelo seu comprimento de onda, compõem o espectro eletromagnético.

Radiação Solar Incidente

Embora a atmosfera seja muito transparente à radiação solar incidente, somente em torno de 25% penetra diretamente na superfície da Terra sem nenhuma interferência da atmosfera, constituindo a radiação direta. O restante é ou refletido de volta para o espaço ou absorvido ou espalhado em volta até atingir a superfície da Terra ou retornar ao espaço. O que determina se a radiação será absorvida, espalhada ou refletida de volta depende em grande parte do comprimento de onda da energia que está sendo transportada, assim como do tamanho e natureza do material que intervém.

a) Espalhamento

Embora a radiação solar incida em linha reta, os gases e aerossóis podem causar seu espalhamento, dispersando-a em todas as direções — para cima, para baixo e para os lados. A reflexão é um caso particular de espalhamento. A radiação difusa é constituída de radiação solar que é espalhada ou refletida de volta para la Terra. Esta insolação difusa é responsável pela claridade do céu durante o dia e pela iluminação de áreas que não recebem iluminação direta do Sol. As características do espalhamento dependem, em grande parte, do tamanho das moléculas de gás ou aerossóis.

b) Reflexão

Aproximadamente 30% da energia solar é refletida de volta para o espaço. Neste número está incluída a quantidade que é retroespalhada. A reflexão ocorre na interface entre dois meios diferentes, quando parte da radiação que atinge esta interface é enviada de volta. Nesta interface, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (lei da reflexão). A fração da radiação incidente que é refletida por uma superfície é o seu albedo. Portanto, o albedo da Terra como um todo (albedo planetário) é de 30%. O albedo varia no espaço e no tempo, dependendo da natureza da superfície e da altura do Sol. Dentro da atmosfera, os topos das nuvens são os mais importantes refletores. O albedo dos topos de nuvens depende de sua espessura, variando de menos de 40% para nuvens finas (menos de 50 m) a 80% para nuvens espessas (mais de 5000 m).

c) Absorção na Atmosfera

O espalhamento e a reflexão simplesmente mudam a direção da radiação. Contudo, através da absorção, a radiação é convertida em calor. Quando uma molécula de gás absorve radiação, esta energia é transformada em movimento molecular interno, detectável como aumento de temperatura. Portanto, são os gases que são bons absorvedores da radiação disponível que têm papel preponderante no aquecimento da atmosfera. O nitrogênio, o mais abundante constituinte da atmosfera, é um fraco absorvedor da radiação solar incidente, que se concentra principalmente nos comprimentos de onda entre 0,2 μm e 2 μm.

A fotodissociação do oxigênio (entre 50 e 110 km de altitude), dada por O₂ + hν = 2O, absorve virtualmente toda radiação solar ultravioleta. O oxigênio atômico assim obtido é altamente reativo, sendo de particular importância a reação O₂ + O + M = O₃ + M, que é o mecanismo dominante para a produção de ozônio na atmosfera (M é uma terceira molécula necessária para retirar o excesso de energia liberada na reação). Como a probabilidade de ocorrência desta reação cresce com o quadrado da densidade do gás, o oxigênio atômico é estável na alta mesosfera e termosfera, enquanto na estratosfera ele se combina rapidamente para formar o ozônio. O único outro absorvedor significativo da radiação solar incidente é o vapor-d'água que, com o oxigênio e o ozônio, respondem pela maior parte dos 19% da radiação solar que são absorvidos na atmosfera.

Distância Sol-Terra

A Terra tem dois movimentos principais: rotação e translação. A rotação em torno de seu eixo é responsável pelo ciclo dia-noite. A translação se refere ao movimento da Terra em sua órbita elíptica em torno do Sol. A posição mais próxima ao Sol, o periélio (147 × 10⁶ km), é atingida aproximadamente em 3 de janeiro e o ponto mais distante, o afélio (152 × 10⁶ km), em aproximadamente 4 de julho. As variações na radiação solar recebida em função da distância Terra-Sol são pequenas.

• Varia durante o ano devido à órbita elíptica da Terra;
• Afeta a quantidade de energia solar recebida;
• A energia varia 7%, sendo maior em 3 de janeiro (periélio) e menor em 4 de julho (afélio);
• A altitude do Sol, que é o ângulo entre seus raios e uma tangente à superfície no ponto de observação, também afeta a quantidade de energia solar recebida.
• Quanto maior a altitude do Sol, tanto mais concentrada será a intensidade da radiação por unidade de área e tanto menor será o albedo (proporção de radiação emergente);
• A altitude do Sol é determinada pela latitude do local, pelo período do dia e pela estação;
• É elevada à tarde, porém baixa pela manhã e ao entardecer;
• É elevada no verão e menos elevada no inverno.

As estações são causadas pela inclinação do eixo de rotação da Terra em relação à perpendicular ao plano definido pela órbita da Terra (plano da eclíptica). Esta inclinação faz com que a orientação da Terra em relação ao Sol mude continuamente enquanto a Terra gira em torno do Sol. O Hemisfério Sul se inclina para longe do Sol durante o nosso inverno e em direção ao Sol durante o nosso verão. Isto significa que a altura do Sol, o ângulo de elevação do Sol acima do horizonte, para uma dada hora do dia (por exemplo, meio-dia) varia no decorrer do ano. No hemisfério de verão as alturas do Sol são maiores, os dias mais longos e há mais radiação solar. No hemisfério de inverno as alturas do Sol são menores, os dias mais curtos e há menos radiação solar.

Há 4 dias com especial significado na variação anual dos raios solares em relação à Terra. No dia 21 ou 22 de dezembro, os raios solares incidem verticalmente (h = 90°) em 23°27’S (Trópico de Capricórnio). Este é o solstício de verão para o Hemisfério Sul (HS). Em 21 ou 22 de junho, eles incidem verticalmente em 23°27’N (Trópico de Câncer). Este é o solstício de inverno para o HS. A meio caminho entre os solstícios ocorrem os equinócios (dias e noites de igual duração). Nestas datas, os raios verticais do Sol atingem o equador (latitude = 0°). No HS, o equinócio de primavera ocorre em 22 ou 23 de setembro e o equinócio de outono em 21 ou 22 de março.