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Balanço Térmico da Atmosfera
(Parte 1)

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br 

Introdução
A radiação solar é a fonte mais importante de calor para a Terra. A energia total irradiada pelo Sol para o espaço, a cada dia terrestre, é de 3,9.1023 kW (potência média diária), do qual a Terra recebe apenas 1,78.1014 kW, o que equivale aproximadamente a 1/3 kW para cada metro quadrado da superfície terrestre, valor médio referente, portanto, a vinte e quatro horas. Também se podem usar unidades incoerentes de calor, como a caloria (cal), que é a quantidade de calor necessária para elevar de 1°C a temperatura de 1 g de água, e a quilocaloria (kcal).
A intensidade de radiação (calor por unidade de área e por unidade de tempo) é expressa, amiúde, em cal/(cm2.min). Uma superfície colocada à distância média da Terra ao Sol e perpendicular aos raios solares recebe 2 cal/(cm2.min); a este valor dá-se o nome de constante solar. Na realidade, com as variações daquela distância ao longo do ano (mínimo no princípio de Janeiro, periélio e máximo no princípio de Julho, afélio), a radiação recebida pela Terra sofre oscilações de cerca de 7%.

Mesmo num dia claro, nunca o total de radiação chega à superfície do globo, já que uma parte é absorvida por gases da atmosfera (ozônio, vapor de água, anidrido carbônico) e outra parte é difundida. Desta última, cerca de metade ainda chega até nós como radiação atmosférica nos locais à sombra. Com a atmosfera muito transparente, ainda se recebe ao nível do mar, como radiação direta, cerca de 70% da constante solar, e mais, em locais mais elevados. Uma superfície que faça com a direção dos raios solares um ângulo a, recebe menos radiação por unidade de área do que se for perpendicular aos raios (a = 90°) e o coeficiente traduz essa diminuição com a é precisamente sen a .

Uma superfície horizontal (Barretos, por exemplo) pode receber no decurso de um dia quente de Verão um total de aproximadamente 650 cal/cm2.
Que se poderá fazer com esta quantidade de calor?

1. Se a aplicarmos inteiramente ao aquecimento de água, provocará o aumento de 1°C na temperatura duma coluna de água com 6,5 m de altura; mas se for distribuída apenas pelos 65 cm mais superficiais, esse calor já provocará um aquecimento de 10° C;
2. Como o calor específico do ar é 0, 2375 cal/(g.ºC), as 650 cal/cm2 em questão darão para aquecer de 27° uma camada de ar com 800 m de espessura; 3. Quanta água se evaporará? O calor latente de evaporação da água é cerca de 600 cal/g, portanto as 650 cal/cm2 darão para evaporar uma camada com cerca de 1,1 cm de espessura;
4. Quanto gelo se pode fundir? Dado que o calor latente de fusão do gelo é 80 cal/g, poder-se-á fundir uma camada de gelo com 8 cm de espessura. No entanto, o gelo deverá estar coberto com uma fina camada de cinzas, ferrugem ou outra substância escura, para que uma grande parte da radiação incidente não seja refletida. Nas regiões polares, aplica-se este método (enegrecimento do gelo e da neve), para maior aproveitamento do calor solar durante o Verão na fusão do gelo;
5. Finalmente, qual a capacidade calorífica das citadas 650 calorias/cm2? A energia ou trabalho de um quilowatt-hora (kWh) corresponde a 860 kcal; um aquecedor de imersão pode portanto, com 1 kWh, aquecer de 86° cerca de 10 litros de água. 650 cal/cm2 = 6500 kcal/m2, corresponderão a 0,75 kWh/m2,
ou seja, à combustão de 750 g de carvão de pedra.

Os exemplos apontados são bastante esquemáticos. Na realidade, os fatos são mais complicados, porque a superfície do globo praticamente nunca absorve toda a radiação solar que nela incide: uma parte é refletida, por exemplo, 84% pela neve fresca, 42 a 70% pela neve mais antiga, 60 a 90% pela superfície das nuvens, 15 a 30% pelos campos e prados, 10 a 25% pelas charnecas e areais, 5 a 18% pelos bosques, 8 a 10% pelo mar.
Em média, a Terra, reflete 38% da luz solar (albedo). O albedo de Vênus é 49%, o de Marte, 12%, o de Júpiter, 41% e o da Lua 12%: a superfície do nosso satélite é portanto relativamente escura. Além disso, a superfície terrestre, como aliás a de qualquer corpo, é não só um receptor mas também um emissor de radiação, isto é, de ondas eletromagnéticas.
As leis que regem este fenômeno são formuladas mais exatamente para uma superfície perfeitamente negra (corpo negro, por definição, é o que não reflete qualquer radiação que nele incida; pode ser realizado na prática por uma superfície coberta de negro de fumo ou por uma caixa revestida interiormente de negro e dotada de uma abertura). A primeira dessas leis é a conhecida lei de Planck, para cuja formulação o seu autor introduziu a noção de quantum, mas em Geofísica (predominantemente em meteorologia) são ainda muito importantes duas leis mais antigas, devidas a Stefan-Boltzmam e a Wien.
A
lei de Stefan afirma que a energia total S irradiada pelo corpo negro depende apenas da sua temperatura absoluta:  S =
s.T4, com a constante s valendo 0,826.10-10 cal/(cm2.min.K4). Para T =300 K (= +26,8° C) é S = 0,67 cal/(cm2.min.K4). A seguinte tabela mostra como S sobe rapidamente quando a temperatura cresce:

Temperatura 

-30

0

30

60

90

120

ºC

Energia irradiada

0,29

0,46

0,70

1,02

1,44

1,97

cal/(cm2.min.K4)

Pode compreender-se assim porque não cresce desmedidamente a temperatura à superfície da Terra quando nela incide a radiação solar (com efeito, a temperatura máxima até hoje medida foi de 90°, nos desertos): porque, à medida que a temperatura da superfície sobe, mais aumentam as perdas de calor por irradiação, e a temperatura acaba por retroceder.

Quando se analisa a radiação em função dos comprimentos de onda (c.d.o.) — para pequenos intervalos como l =0,0 e 0,1µ; 0,1 e 0,2µ, etc. — verifica-se que para os muito pequenos e os muito longos c. d. o. a energia radiada é muito pouca, localizando-se na zona intermediária o c. d. o. correspondente a um máximo de energia.
A lei de Wien diz-nos que esse c. d. o. depende só da temperatura e é dado pela fórmula
lmáx. = 2884/T, com lmáx. em µ = 0,001 mm, que nos mostra ainda que, para uma temperatura crescente lmáx. sofre um abaixamento: uma barra de ferro colocada numa chama passará suavemente do rubro sombrio ao amarelo e por fim ao branco. Para as temperaturas à superfície da Terra, lmáx. situa-se na zona do infravermelho, bastante afastado dos c. d. o. visíveis: para T =300 K (26,8° C), lmáx. = 9,6µ, mas para T = 5700 K, temperatura reinante na superfície do Sol, já lmáx. = 0,5 µ, que se situa no espectro visível, na zona do verde. A radiação invisível da Terra encontra-se portanto completamente separada da radiação que o Sol nos envia. Na realidade, as duas correntes radioativas que atravessam a atmosfera, uma em cada sentido, equilibram-se razoavelmente no respeito à energia transportada mas são largamente diferentes em c. d. o.

A lei de Stefan-Boltzmann diz-nos que para a temperatura da superfície do Sol, 5700 K, S = 90 000 cal/(cm2.min). Se considerarmos uma esfera centrada no Sol e com o raio igual à distância média da Terra ao Sol (215 raios solares), a sua área será 2152 = 46 000 vezes maior do que a área deste astro; repartindo por ela toda a energia S irradiada, cada centímetro quadrado receberá então 90 000/46 000 = cerca de 2 cal/min — que coincide com a constante solar.

Para os longos c. d. o., quase todos os corpos se comportam, por assim dizer, como corpos negros, não refletindo quase nada da radiação que sobre eles incide; até a neve, que reflete intensamente a luz visível, é, para longos c. d. o. (à volta dos 10 µ) tão negra como a ferrugem.

O pensamento de que uma superfície a temperatura tão baixa, como a da parede do nosso quarto, ainda emita radiações é uma novidade para muitos e leva-os a perguntar como se explica que a parede não vá esfriando constantemente, por causa do calor que assim perde. Muito simplesmente porque a parede em frente, mais ou menos à mesma temperatura, emite sobre ela igual quantidade de radiação que, uma vez absorvida, estabelece a necessária
compensação, e não há resfriamento. Este equilíbrio entre radiações recebida e emitida é muito importante para as habitações. No caso em que no exterior se produza acentuado arrefecimento, terá então de se recorrer a uma fonte de calor suplementar (fogão, radiador, etc.), para compensar as perdas de calor para o exterior, quer através das paredes, quer pelas correntes de ar por portas e janelas. O aquecimento por radiação infravermelha em terraços e átrios gera ambientes agradáveis, embora o ar possa manter-se frio, porque o calor recebido dos radiadores compensa o calor perdido pelas pessoas para o ar, através da pele.
Para se comprovar que uma parede emite radiação execute-se a seguinte experiência simples: coloque-se a mão entre a parede e um pedaço de gelo, a pequena distância de ambos. Notar-se-á na face da mão voltada para o gelo uma sensação de arrefecimento, como se o gelo irradiasse frio. Ora, isto é falso, simplesmente o gelo emite muito menos calor do que a própria mão, pelo que esta arrefece do lado respectivo, o que já não acontece com a outra face virada para a parede.

Segue: Balanço Térmico da Atmosfera (parte 2)

 


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