Radiação Solar e o Balanço da Radiação

Radiação Solar e o Balanço da Radiação

Radiação Solar e o Balanço da Radiação

Radiação Solar  - A rotação e a translação da Terra alteram as taxas de radiação solar recebidas em um curto período de tempo. Já os movimentos com periodicidade maior, como os ciclos de Milan, alteram essas taxas por um longo período de tempo. Milankovich desenvolveu a teoria de que mudanças na órbita do planeta ocasionavam mudanças na insolação que conduziram a alternância dos ciclos glaciais e interglaciais.

Como foi visto, os ciclos de Milan correspondem aos seguintes fenômenos: excentricidade da órbita (100.000 anos), obliquidade do eixo (41.000 anos) e precessão dos equinócios (26.000 anos). Esses ciclos alteram taxas de radiação solar recebida que, por sua vez produzem variações de temperatura.

A Radiação Solar e o Balanço da Radiação

A radiação solar é a energia recebida pela Terra, na forma de ondas eletromagnéticas (com um componente elétrico e outro magnético), provenientes do Sol. Uma parte da energia emitida é interceptada pelo sistema Terra-atmosfera e convertida em outras formas de energia como, por exemplo, calor e energia cinética da circulação atmosférica. A energia pode ser convertida, mas não criada ou destruída, segundo 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 (já vistos na semana 2) e também em variações na superfície da Terra. 
Radiação eletromagnética

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, conhecida como radiação terrestre ou radiação noturna. O sistema Terra-atmosfera está muito próximo ao equilíbrio radiativo, pois em uma média de longo prazo, as taxas de absorção e emissão de radiação são aproximadamente iguais. A radiação desempenha também papel importante na transferência de calor entre a superfície da Terra e a atmosfera e entre diferentes camadas da atmosfera. Existem vários tipos de radiação eletromagnética. O espectro eletromagnético é constituído por esses vários tipos de radiação em ordem crescente de comprimento de onda.

O comprimento de onda é a distância entre as cristas sucessivas da onda e a frequência da onda é o número de ondas completas que passa por um dado ponto por unidade de tempo. 

Apesar da divisão do espectro eletromagnético em faixas, todas as formas de radiação são basicamente iguais. Quando qualquer forma de energia radiante é absorvida por um objeto, o resultado é um crescimento do movimento molecular, assim, aumenta sua temperatura. 

O espectro eletromagnético é contínuo. Tem início com as ondas de menor comprimento de onda, e termina com aquelas de maior comprimento de onda, como as de rádio e TV. Cada faixa do espectro recebe nomes diferentes em função de sua utilidade e efeitos.

Segundo Tubelis e Nascimento (1980), quanto à distribuição espectral da radiação solar, mais de 99% da energia está contida na faixa de comprimentos de onda entre 0,3 e 4 microns. Devido a esses pequenos comprimentos de onda, a radiação solar é denominada de radiação de onda curta. Três faixas são definidas no espectro da radiação solar: radiação ultravioleta, radiação visível e radiação infravermelha.

Radiação solar incidente

A quantidade de radiação solar incidente na atmosfera terrestre depende de três fatores: o período do ano, o período do dia e a latitude.

A altitude do Sol também afeta a quantidade de energia solar recebida. Essa altitude é determinada pela latitude do local, pelo período do dia e pela estação do ano. Em geral a altitude do Sol diminui com o aumento da latitude. Durante o dia, é mais elevada à tarde do que pela manhã e ao entardecer, e, do mesmo modo, é mais elevada no verão do que no inverno.

A quantidade de radiação solar recebida na atmosfera também é afetada pela duração do dia, que, por sua vez, varia com a latitude e a estação do ano. Durante o verão no Brasil, a duração do dia aumenta do Equador em direção ao polo Sul e diminui em direção ao polo Norte. Na Antártida, o dia dura 24 horas, e na mesma época do ano, no Círculo Polar Ártico, a duração da noite é de 24 horas.

A insolação que atinge a atmosfera terrestre pode ser ascendente, em direção ao espaço, ou descendente, em direção à superfície da Terra. Segundo Ayoade (1991), apenas cerca de 6% da radiação solar que atinge o topo da atmosfera é descendente. E quando essa radiação atinge a superfície da Terra, pode atingir superfícies terrestres (solo) e aquáticas, que por sua vez apresentam diferentes propriedades térmicas e reagem de maneiras diferentes à insolação. A água se aquece e se resfria mais lentamente que o solo, demorando mais que o solo a devolver esse calor à atmosfera, ou seja, a radiação terrestre.  

A intensidade com que a radiação solar alcança o solo é chamada de intensidade de insolação. Está associada à altitude do Sol de cada ponto da Terra. Nas regiões tropicais, em ambos os hemisférios, concentram-se os valores mais acentuados de insolação, em oposição às regiões polares, onde os valores de insolação são mais baixos devido ao fato de a altitude do Sol nessas áreas ser reduzida. A região equatorial possui índices inferiores de insolação em relação às tropicais; isso se deve à maior quantidade de nuvens presente nessa área, restringindo a quantidade de radiação solar que atinge o solo.

Distribuição da radiação

A radiação solar que atinge a superfície da Terra pode ser absorvida ou refletida. Já a radiação solar, ao atravessar a atmosfera terrestre é atenuada, além da reflexão e da absorção (por certos constituintes atmosféricos), pelo espalhamento, também conhecido como dispersão pelas partículas da atmosfera, tais como as moléculas dos gases e impurezas. O que determina se a radiação será absorvida, espalhada ou refletida depende em grande parte do comprimento de onda da energia que está sendo transportada, assim como do tamanho e natureza das partículas. 

a)Espalhamento - Os gases e aerossóis presentes na atmosfera podem causar espalhamento da radiação, dispersando-a em todas as direções (para cima, para baixo e para os lados). Chamada de radiação difusa, a radiação solar, que é espalhada ou refletida de volta para a Terra é responsável pela claridade do céu durante o dia e pela iluminação de áreas que não recebem iluminação direta do sol.

b) Reflexão - Aproximadamente 30% da energia solar é refletida de volta para o espaço. A reflexão ocorre no limite entre dois meios diferentes, quando parte da radiação que atinge esse limite é enviada de volta. Vale lembrar que o ângulo de incidência do raio também influencia. Quanto mais perpendicular, menos energia é refletida. A fração da radiação incidente, que é refletida por uma superfície, é o seu albedo. Assim, o albedo da Terra, conhecido como albedo planetário, é 30%. O albedo da maioria das superfícies varia com o ângulo de incidência dos raios solares e com o comprimento da onda. 

c) Absorção - Os dois processos anteriormente descritos simplesmente mudam a direção da radiação.
Já, quando a energia é absorvida, a radiação solar é convertida em calor. Quando uma molécula de gás absorve radiação, essa energia é transformada em movimento molecular interno, e sua temperatura aumenta. Sendo assim, os gases (bons absorvedores da radiação disponível) possuem papel fundamental no aquecimento da atmosfera. Enquanto o espalhamento da radiação solar é uma função do comprimento de onda, a absorção, por outro lado, é, segundo Tubelis e Nascimento (1980), em geral, seletiva, sendo o vapor d’água, o ozônio e o gás carbônico os principais agentes absorvedores e respondem pela maior parte dos 19% da radiação solar que é absorvida na atmosfera. 

Radiação terrestre

A radiação terrestre é aquela emitida pela superfície terrestre na faixa do infravermelho. Do total dessa energia, apenas uma pequena fração, estimada entre 6% a 9%, escapa para o espaço. O restante de radiação emitida pela superfície é absorvido pela atmosfera. Dessa forma, mesmo praticamente transparente à radiação visível, a atmosfera mostra-se quase que completamente opaca à radiação térmica. Aproximadamente 51% da energia solar que chega ao topo da atmosfera atinge a superfície da Terra. A maior parte dessa energia é enviada de volta para a atmosfera. A radiação terrestre possui comprimentos de onda maiores que a radiação solar (faixa do infravermelho), onde a atmosfera é um eficiente absorvedor de radiação. Nesse intervalo, o vapor d’água e o dióxido de carbono são os principais absorvedores. Como a atmosfera é bastante transparente à radiação solar (ondas curtas) e mais absorvente para radiação terrestre (ondas longas), a Terra é a maior fonte de calor para a atmosfera. 

Quando a atmosfera absorve radiação terrestre ela se aquece e irradia essa energia, para cima e para baixo, onde é novamente absorvida pela Terra. Portanto, a superfície da Terra é continuamente abastecida com radiação da atmosfera e do Sol. Essa 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. Esse vaivém de energia entre a superfície da Terra e a atmosfera torna a temperatura média da Terra ~ 35 ºC mais alta do que seria. Sem os gases absorvedores da nossa atmosfera, a Terra não seria adequada para a vida.

Segundo Mendonça & Danni-Oliveira (2007), essa parte da radiação emitida pela superfície da Terra na forma de ondas longas é forçada a retornar à superfície terrestre pela ação dos gases, aerossóis e nuvens. Esse efeito de contra-radiação é conhecido como efeito estufa. Desse modo, as nuvens atuam na geração de contra-radiação, formando barreiras contra a perda de parte da radiação terrestre para o espaço, e, por outro lado, elas restringem a quantidade de radiação solar que alcança a superfície da Terra.

As nuvens, assim como o vapor d’água e o CO2, são bons absorvedores de radiação 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 re-irradiá-la de volta. Isto explica porque em noites secas e claras a superfície se resfria bem mais que em noites úmidas ou com nuvens.