Ricardo de Camargo Departamento de Cincias Atmosfricas IAGUSP

Ricardo de Camargo Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG/USP ACA 0115 – Introdução às Ciências Atmosféricas Parte 2 Sistema Internacional de Unidades Sistema Solar, Sol e a Terra Radiação Solar Radiação Terreste Efeito Estufa Temperatura de Equilíbrio

Sistema Internacional de Unidades • Esse sistema é conhecido como SI (iniciais Sistema Internacional); • XI Conferência Geral de Pesos e Medidas (realizada em Paris, 1960); • Baseado no sistema MKS (metro-quilograma-segundo).

Unidades Fundamentais do SI • • • Distância: metro (m) Massa: quilograma (kg) Tempo: segundo (s) Temperatura: Kelvin (k) Corrente elétrica: Ampére (A) Número de partículas: mol (mol) Intensidade da luz: candela (cd) ngulo: radiano (rad) ngulo sólido: esferorradiano (sr)

Padrões Internacionais • O metro padrão foi definido em 1983 como a distância percorrida pela luz no vácuo em um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo. • O quilograma é a massa de um cilindro padrão de platina-irídio guardado e polido mensalmente em Paris, França.

Unidades em Meteorologia Fonte: Meteorology Today

Unidades em Meteorologia Fonte: Meteorology Today

Unidades em Meteorologia Fonte: Meteorology Today

Atmosfera • Atmosfera é a camada de ar que envolve a Terra. Atmosfera vem do Grego “atmos(ατμός) = vapor” + “sphaera(σφαίρα) = invólucro”. • Atmosfera significa “invólucro de vapor”; • O ar da atmosfera é vital para a nossa existência; • Com ausência de comida e água podemos sobreviver alguns dias, mas sem oxigênio sobreviveríamos apenas alguns minutos.

Importância da Atmosfera • Se não houvesse atmosfera na Terra não teríamos oceanos, lagos, nuvens ou por do sol avermelhado. • Não haveria som ou a cor azul do céu. • A Terra seria muito fria durante a noite e muito quente durante o dia (como a Lua). • Mesmo sendo inodora e insípida e, na maior parte do tempo invisível, a atmosfera nos protege dos RAIOS ULTRA-VIOLETA (UV) e apresenta uma mistura de gases que permite a existência da vida no planeta

A atmosfera é muito fina Espessura da atmosfera Fonte: NASA

Sistema Solar • O universo contém bilhões de galáxias que, por sua vez, contêm bilhões de estrelas; • As estrelas são constituídas por gases em temperaturas altíssimas, cuja energia provém da fusão nuclear onde o hidrogênio é convertido em hélio e uma grande quantidade de energia é produzida.

Sol • O Sol é uma estrela de classe G, de grandeza média situada em uma das extremidades da Via Láctea.

A atmosfera é muito fina Orbitando o Sol, temos oito planetas e cometas que compõem sistema solar. Fonte: NASA

Características do Sistema Solar Fonte: Meteorology Today

Superfície de Titan, satélite de Saturno: temp -180°C Superfície de Vênus: +480°C

Superfície de Marte: -5°C

Zoom da atmosfera de Júpiter: Sua temperatura varia entre -165°C nas camadas mais externas, até 35000°C no núcleo

Europa, satélite de Júpiter Zoom de Europa

Energia e Calor • Energia é a capacidade de realizar trabalho de um corpo ou sistema. • A energia de um sistema é medida em Joules; • 1 joule (J) = 1 Newton metro (N m); • Calor é energia em movimento em um corpo ou sistema. O calor sempre flui de uma região de maior temperatura para uma de menor temperatura; • E temperatura?

Caloria • Caloria (cal), definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama (g) de água, a 1 atmosfera (atm), de 15 °C até 16 °C; • 1 cal = 4, 1855 J;

Pressão • Pressão atmosférica ao nível do mar: – 1 atmosfera (atm) = 1013, 24 milibar (mb) = 1013, 24 hectopascal (h. Pa);

Notação Científica Milhão 1000 = 103 1000 = 106

Sol e a Terra • A Terra está cerca de 150 milhões de quilômetros (km) do Sol e, por isso, intercepta somente uma pequena fração da sua energia. ou

Sol e a Terra • A energia se propaga no espaço na forma de ondas eletromagnéticas; eletromagnéticas • Esta forma de propagação de energia é chamada de radiação; radiação • A radiação proveniente do Sol é denominada de radiação solar; solar • A radiação solar é a fonte de energia responsável pelos movimentos atmosféricos, ventos determinando os padrões de tempo meteorológico e de clima.

Papel da Radiação Solar • A radiação solar mantém a temperatura média da superfície da Terra em torno de 15°C (59°F); • A Terra experimenta um intervalo grande de variação de temperaturas; • Antártida – 89 o. C (-124 o. F) em Vostok; • Deserto subtropical de 50°C (122°F). Recorde foi em Trípoli, Líbia: 58°C! • Recorde de variação em um mesmo dia: -5°C para 47°C.

Graus Celsius para Fahrenheit em Celsius em Kelvin Fonte: Meteorology Today

Temperatura na Superfície Abril de 2003 Fonte: NASA

Temperatura Média • T 1, T 2. . . TN são os valores de temperatura nas estações meteorológicas espalhadas no planeta; • N = número de estações meteorológicas.

Radiação Solar • A radiação solar é definida como a quantidade de energia por unidade de área e unidade de tempo, ou fluxo de energia solar • O fluxo de energia que atinge a Terra é quase constante e igual a 1366 W m-2. • Energia por unidade de tempo = joules (J) por segundo (s). • J s-1= Watts (W)

Fluxo de Energia A radiação solar é definida como a quantidade de energia por unidade de área e por unidade de tempo, ou fluxo de energia solar. Unidade j. s-1. m-2 ou W. m-2

Exercício em Classe Qual é o montante de energia que atinge a Terra em Watts por segundo, sendo o raio da Terra de ~ 6500 km?

Instante Inicial T = T 0 Área A Energia E E(t 0) = 0

Instante Final T = T 0 + Δt Área A Energia E E(t 0 + Δt) = ΔE

Fluxo de Energia ΔE = Quantidade de Energia ΔE = Intervalo de tempo S = Fluxo de energia

Variação Especial do Fluxo de Energia Emitida pelo Sol Fonte: Meteorology Today

Variação Especial do Fluxo de Energia Emitida pelo Sol Área A 1 Área A 2

Quantidade de Energia (ΔE) por intervalo de tempo (Δt) Atravessa a área A 1 Atravessa a área A 2

Dado que a quantidade de energia (ΔE), por intervalo de tempo (Δt), é constante, então:

Se a quantidade de energia (ΔE) por intervalo de tempo Δt não varia, então o fluxo de energia (s) diminui quando a área aumenta.

Radiação solar incidente na esfera que envolve o Sol rs = raio da esfera que envolve a superfície do Sol. S 0 = fluxo de radiação solar na superfície do Sol.

Princípio de Conservação de Energia A quantidade de energia, por unidade tempo, emitida pelo Sol e que passa através da esfera que envolva o Sol é igual a quantidade de energia, por unidade de tempo, que passa através de qualquer outra esfera que envolva o Sol.

Área da Esfera de raio R A = 4 r 2

Aplicação do Princípio da Conservação de Energia Se não existe nenhum sorvedouro de energia no espaço entre a Terra e o Sol, então a quantidade total de energia (por unidade de tempo) que sai do sol através da superfície é igual a quantidade de energia (por unidade de tempo) que chega superfície que envolve o sol e intercepta a Terra:

O fluxo de radiação solar diminui com o quadrado da distância do Sol S(r) = fluxo de radiação solar a uma distância r do Sol

Exercício em Classe Calcule o fluxo de radiação na superfície do Sol considerando o fluxo de radiação solar na Terra é igual a 1366 W m-2 e a distância Sol-Terra igual a 150 milhões de quilômetros.

Intensidade da Radiação Solar que Chega na Terra • Observações: S = 1366 W m-2; • d = distância Sol –Terra; • d = raio da esfera com o Sol no centro e interceptando a Terra.

Quantidade de Energia Solar Interceptada pela Terra por Unidade de Tempo

Taxa de variação temporal de energia solar na Terra

Taxa de variação temporal de energia solar em qualquer planeta rs = raio da esfera que envolve a superfície do Sol. S 0 = fluxo de radiação solar na superfície do Sol. r = raio da esfera com o Sol no centro e interceptando a planeta. r. P = raio do planeta.

Taxa de variação temporal de energia solar em qualquer planeta Fonte: Meteorology Today

Albedo Planetário Quanto maior o albedo de um planeta maior é a quantidade de energia refletida e menor a temperatura média do planeta.

Albedo Planetário Fonte: Meteorology Today

Albedo da Terra 30% da energia solar incidente sobre a Terra é refletida de volta para o espaço. 70% é absorvida.

Energia solar absorvida pela Terra Energia solar refletida pela Terra

A temperatura da superfície da Terra é constante? • Observações indicam que a temperatura média da superfície da Terra tem permanecido relativamente constante nos últimos 1000 anos; • Exceção: Pequena Idade do Gelo, entre os séculos XV e XVII.

Desvio da temperatura da superfície da Terra Média anual Média 1961 a 1990

Evolução da Temperatura da Superfície nos últimos 1000 anos no hemisfério norte Fonte: IPCC

Terra está em equilíbrio A quantidade de energia solar absorvida é igual a quantidade de energia emitida na forma de radiação infravermelho. Fonte: Meteorology Today

Equilíbrio Radiativo Absorvido Emitido Radiação Solar Infravermelho T~5800 K T~300 K

Radiação Terrestre RIV é o fluxo de radiação infravermelha emitida pela Terra.

Igualando a Radiação Absorvida e Emitida pela Terra

Estimativa da Radiação Terrestre

Emissão de Corpo Negro Considerando a Terra emitindo como um negro então o fluxo de radiação emitido pela Terra está relacionado com a temperatura da Terra através da seguinte expressão: Lei de Stefan-Boltzman. E é a emissão de corpo negro da Terra (W m-2). σ = 5, 67 x 10 -8 W m-2 K-4. T é a temperatura da Terra em Kelvin (+273 K).

Lei de Stefan-Boltzman Permite estimar o fluxo de radiação emitido de corpo negro de qualquer objeto, incluindo-se a Terra e o Sol, a partir apenas da sua temperatura. Permite, também, estimar a temperatura equivalente de emissão de corpo negro que qualquer objeto, incluindo-se a Terra e o Sol.

Lei de Stefan-Boltzman Tsol = 5800 k Exercício 1

Temperatura de Equilíbrio Observado

Temperatura de Equilíbrio Sem atmosfera -18°C Fonte: Meteorology Today Com atmosfera 15°C

Efeito Estufa • Aumento da temperatura da Terra produzido pela retenção de energia no sistema na atmosfera. • Retenção é devida a presença de gases na atmosfera que permite a passagem da radiação solar e absorvem radiação infravermelho.

Aquecimento Global • O aumento da temperatura da superfície da Terra, observada nos últimos 80 anos, é de aproximadamente 0, 6°C; • Este aumento está relacionado ao concentração dos gases de efeito estufa. crescimento da

Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas • Reconhecendo o problema da potencial mudança climática global, a Organização Meteorológica Mundial (OMM) e o Programa Ambiental das Nações Unidas (UNEP) estabeleceram o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) 1988. É aberto para todos os membros das ONU e da OMM. http: //www. ipcc. ch/calendar. htm

Evolução temporal da temperatura da superfície nos últimos 140 anos ~ 0, 6 o. C Fonte: IPCC 2007 ~ 80 anos

Indicadores do efeito antropogênico Fonte: IPCC

Fonte: IPCC 2013

Forçante radiativa para os gases majonitários do efeito estufa e grupos de halocarbonetos, de 1850 a 2011 Taxa de variação, de 1850 até 2011 Fonte: IPCC

Nível do Mar Global temperature (blue, NOAA) Global sea level (CSIRO), anomalies relative to 1990, from tidegauges (black) and satellite data (red).