Energia na Atmosfera e nos Oceanos

ACA 0430 - Meteorologia Sinótica e Aplicações à OceanografiaDCA/IAG/USP

Por que a atmosfera e o oceano se movem continuamente???

Energia solar

Rotação da Terra

Efeito da Força de Coriolis

Deflexão dos movimentos

Variações no campo de temperatura da água do mar

Fluxos de calor através da interface ar-mar

Aquecimento diferencial do Planeta

Ventos – Circulação Amosférica: Energia transferida para o oceano através do acoplamento por atrito.

Evaporação/Precipitação

Variações de salinidade

Circulação Termohalina

Radiação

transporte de energia através de ondas eletromagnéticas

a quantidade de energia transportada por uma onda

eletromagnética é inversamente proporcional ao

comprimento de onda ()

transporte de energia através de ondas eletromagnéticas

a quantidade de energia transportada por uma onda

eletromagnética é inversamente proporcional ao

comprimento de onda ()

Fótons

pacotes de energia das ondas eletromagnéticas, que a transportam no processo de radiação

quantidade de energia associada a um fóton:

pacotes de energia das ondas eletromagnéticas, que a transportam no processo de radiação

quantidade de energia associada a um fóton:

F honde h é a constante de Planck igual a 6,626 x 10-34 J s e é a frequência de oscilação da onda eletromagnética.

onde h é a constante de Planck igual a 6,626 x 10-34 J s e é a frequência de oscilação da onda eletromagnética.

Espectro de Energia

Como a onda eletromagnética se propaga com a velocidade constante e igual a da luz (c), então a freqüência () e o comprimento de onda () dessas ondas obedecem à seguinte relação:

Como a onda eletromagnética se propaga com a velocidade constante e igual a da luz (c), então a freqüência () e o comprimento de onda () dessas ondas obedecem à seguinte relação:

cA distribuição de energia de uma onda eletromagnética em função do comprimento de onda (ou freqüência) é denominada espectro de energia.

A distribuição de energia de uma onda eletromagnética em função do comprimento de onda (ou freqüência) é denominada espectro de energia.

Espectro de Radiação

Fonte: Meteorology Today

Radiação Solar

Fonte: Meteorology Today

Espectro de radiação solar

O espectro de energia emitido pelo Sol indica uma emissão contínua em um intervalo de comprimentos de onda que vai de 0,1 m até 1 m.

Cerca de 44 % da energia do Sol encontra-se na região de espectro denominada de região do visível compreendida entre os comprimentos de onda que vão de 0,4 m a 0,7 m.

O espectro de energia emitido pelo Sol indica uma emissão contínua em um intervalo de comprimentos de onda que vai de 0,1 m até 1 m.

Cerca de 44 % da energia do Sol encontra-se na região de espectro denominada de região do visível compreendida entre os comprimentos de onda que vão de 0,4 m a 0,7 m.

Radiação Terrestre

O espectro de energia emitido pela Terra indica uma

emissão contínua entre 1 m e 100 m.

Assim, não existe sobreposição entre os espectros de

energia emitidos pelo Sol e pela Terra, de tal forma que a

radiação proveniente da Terra é tratada de forma

totalmente independente da radiação proveniente do Sol

e, conseqüentemente, denominada de radiação terrestre

ou radiação de onda longa.

O espectro de energia emitido pela Terra indica uma

emissão contínua entre 1 m e 100 m.

Assim, não existe sobreposição entre os espectros de

energia emitidos pelo Sol e pela Terra, de tal forma que a

radiação proveniente da Terra é tratada de forma

totalmente independente da radiação proveniente do Sol

e, conseqüentemente, denominada de radiação terrestre

ou radiação de onda longa.

Radiação Infravermelha

A radiação terrestre também é chamada de radiação

infravermelha devido á posição que ocupa no espectro

de radiação eletromagnética.

A radiação terrestre também é chamada de radiação

infravermelha devido á posição que ocupa no espectro

de radiação eletromagnética.

Radiação solar e terrestre

Fonte: Meteorology Today

Corpo negro

Corpo negro é o nome dado ao corpo que emite o máximo possível de radiação em todos os comprimentos de onda.

Utilizando essa definição, a Lei de Stefan-Boltzmann indica que a quantidade de energia emitida por um corpo negro é função da temperatura do corpo.

Corpo negro é o nome dado ao corpo que emite o máximo possível de radiação em todos os comprimentos de onda.

Utilizando essa definição, a Lei de Stefan-Boltzmann indica que a quantidade de energia emitida por um corpo negro é função da temperatura do corpo.

Lei de Stefan-Boltzmann

onde E é o fluxo de radiação em W/m2, é a constante

de Stefan-Boltzmann ( = 5,67x10-8 W/m2K4) e T é a

temperatura em Kelvin.

Tanto o Sol quanto a Terra emitem como um corpo

negro a temperaturas de 6000 K e 288 K.

onde E é o fluxo de radiação em W/m2, é a constante

de Stefan-Boltzmann ( = 5,67x10-8 W/m2K4) e T é a

temperatura em Kelvin.

Tanto o Sol quanto a Terra emitem como um corpo

negro a temperaturas de 6000 K e 288 K.

Absorção e Emissão

No processo de absorção de radiação pelas moléculas de um gás, a energia absorvida é utilizada para modificar a configuração eletrônica do átomo do gás, fazendo com que um elétron mude de um orbital para outro mais energético.

A quantidade de energia envolvida neste processo é discreta e depende somente da natureza do átomo.

No processo de emissão de energia de um gás, a energia emitida é igual a energia empregada na transição eletrônica.

No processo de absorção de radiação pelas moléculas de um gás, a energia absorvida é utilizada para modificar a configuração eletrônica do átomo do gás, fazendo com que um elétron mude de um orbital para outro mais energético.

A quantidade de energia envolvida neste processo é discreta e depende somente da natureza do átomo.

No processo de emissão de energia de um gás, a energia emitida é igual a energia empregada na transição eletrônica.

Absorção e emissão de radiação

Fonte: Meteorology Today

Radiação solar e atmosfera

Os gases atmosféricos absorvem radiação solar e terrestre e emitem radiação de onda longa.

Os gases atmosféricos absorvem radiação solar e terrestre e emitem radiação de onda longa.

Fonte: Meteorology Today

R α T4

maxα T-1

Radiação (solar e infravermelha)

Balanço global de radiação solar

Balanço de radiação na superfície

Net short-wave radiation = short-wave down - short-wave up

Net long-wave radiation =

long-wave down - long-wave up.

Net radiation = net short-wave radiation + net long-wave radiation.

Valores positivos representam energia se movendo PARA a superfície; valores negativos representa energia saindo da SUPERFÍCIE

Balanço global de energia

http://celebrate.ls.no/English/Animations/Science/drivhus_eng.swf

http://earthguide.ucsd.edu/earthguide/diagrams/energybalance/index.html

Balanço global de energia na superfície

http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/

http://earthobservatory.nasa.gov/GlobalMaps/

Interação solo-vegetação-atmosfera

A predominância de um determinado processo depende do tipo e estado da superfície

Balanço de Energia

Balanço de calor na superfície

QT = QS (1-α) – QN – QE – QH

• QS – Radiação de onda curta incidente

• α – Albedo superficial

• QN – Radiação de onda longa emitido

• QE – Fluxo de calor latente

• QH – Fluxo de calor sensível

Sobre o continente, em um ciclo anual, QT ~ ZERO

pois o calor ganho no verão é perdido para a atmosfera durante o inverno;

Sobre o Oceano, em um ciclo anual, há um ganho de calor entre 20°S e 20°N e perda nas latitudes mais altas;

As perdas e ganhos são compensados pela

transferência de calor da região tropical para as latitudes mais altas via Correntes Oceânicas;

QE > QH no Oceano e QE ~ QH no continente

Equação do Balanço

Qs: Radiação de onda curta; : Albedo superficial;Qn: Radiação de onda longa;Qe: Calor latente;Qh: Calor sensível.

Oceano absorve mais radiação de onda curta.

No oceano: Qe > QhNo continente: Qe ~ Qh

HENsT QQQQQ 1

continenteoceano TT QQ

Radiação que chega no Oceano 70% da radiação solar (onda curta, espectro “visível”) atinge a Terra;

Dos 70%, apenas 30% atinge a superfície de forma direta;

A energia radiante que chega no oceano é novamente filtrada:

Radiação no Oceano

- Nos primeiros 10cm toda a radiaçãoIR absorvida é convertida em “energiainterna”;

- No primeiro metro, 60% da radiaçãosolar é absorvida e 80% é absorvidanos 10m iniciais;

- Somente cerca de 1% se mantém a140m de profundidade nas águas maistransparentes do oceano subtropical.

Penetração de Radiação → Transparência

Transparência → Materiais em Suspensão

Balanço de Calor entre Oceano e Atmosfera

- Radiação incidente decresce do Equador para os Pólos;

- Baixas latitudes → Muita radiação(ano todo);

- Altas latitudes → Pouca radiação(ângulo de incidência dos raios);

Transferência de Energia

Ventos e correntes oceânicas → Transporte de calor das baixas para as altas latitudes

Baixas latitudes → Maior transporte oceânico

Altas latitudes → Maior transporte pelos ventos

Comparação entre a energia transportada pelosoceanos no HN e no HS.

ROC

ROL

Fluxo de calor latente

Dominado pela evaporação na região dos alísios

Fluxo de calor Sensível

Fluxo de calor

Ganho na região Equatorial

Interações no oceano...

Convecção TermohalinaDiferenças de temperatura e salinidade → Diferenças de densidade → Circulação Convectiva

Circulação Superficial Circulação Profunda