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Balanço Térmico da Atmosfera
(Parte 2)

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

Efeito de estufa artificial
Numa casa envidraçada e fechada pode notar-se boa temperatura, num dia de Inverno, frio mas 'aconchegante'; enquanto nas modernas construções de concreto armado e vidro, a temperatura num dia quente de Verão, é insuportável. Tais fatos decorrem duma propriedade do vidro, que é ser transparente para a luz visível e de curto c. d. o. (abaixo de 1µ), mas completamente opaco para os longos c. d. o.
Portanto, a principal parte do espectro solar (excetuando o ultravioleta: no nosso quarto não conseguimos bronzear-nos) logra penetrar no interior da estufa e aquecer os corpos que lá se encontram. Como a radiação emitida por estes corpos não atravessa o vidro, não sai para o exterior, e assim se obtém o efeito de estufa, realizável também em parte no nosso quarto, através da janela em que incida a luz solar. Quando nos dias frios de Inverno se abrem as janelas «para o sol entrar e aquecer o interior», o resultado que realmente se obtém é negativo, porque o ar frio do exterior provoca arrefecimento e, com a janela aberta, o efeito de estufa não se dá.

Efeito de estufa natural
O vapor de água desempenha para com a radiação um papel semelhante ao do vidro. Referimo-nos ao verdadeiro vapor de água, um gás totalmente transparente à luz visível, e não às minúsculas gotas de água líquida, que se encontram 'naquela fumacinha que sai do bico das chaleiras', nas saunas, na neblina, etc.; vapor é invisível! Com efeito, o vapor de água é em grande parte opaco ao infravermelho, do qual só deixa passar radiação do intervalo
l =8,5 a 11µ. Fora disso, a partir dos 4µ toda a radiação é absorvida. Para os mesmos c.d.o., o vapor de água emite também radiação, em correspondência com a sua temperatura, quase como o corpo negro.
Não é exato que, de noite, os corpos expostos ao ar percam, por radiação, a energia correspondente a
s.T4, sem qualquer compensação, porque na realidade recebem simultaneamente a chamada radiação descendente, oriunda da atmosfera, sobretudo do vapor de água e do anidrido carbônico que ela contém. Consideremos, por exemplo, que a temperatura da superfície do solo, numa noite clara, seja de 14°C. A energia emitida será portanto S = s.T4 = 0,56 cal/(cm2.min). Todavia, se medirmos a energia realmente perdida para o ar, a radiação efetiva obtém-se uma quantidade menor, por exemplo, 0,14 cal/(cm2.min), pois da atmosfera (mais exatamente do valor de água do ar) desce radiação, no exemplo 0,42 cal/(cm2.min), isto é, 3/4 da energia enviada para cima são compensados pela que é enviada para baixo. Sem dúvida, esta última depende da temperatura do vapor de água: se há muito vapor de água no ar, a radiação descendente provém das camadas baixas (algumas centenas de metros), cuja temperatura não é muito inferior à do ar junto da superfície, e a radiação descendente será em grande quantidade (regiões úmidas dos trópicos). Sobre os desertos, em que o ar contém pouco vapor de água, a radiação descendente é reduzida, porque provém de grandes altitudes, onde a temperatura é baixa — e a radiação efetiva será acentuada, o que explica que as noites nos deserto sejam muito frias. Quando o céu está enevoado, as gotas de água das nuvens irradiam como o corpo negro, preenchendo mesmo o intervalo de 8,5 a 11µ, em que o vapor de água é transparente. Então, a radiação descendente é forte e o arrefecimento noturno bastante atenuado.

Em todas estas trocas de radiação comporta-se o solo como a superfície ativa no mecanismo de aquecimento e resfriamento. O ar, praticamente transparente à radiação, não é aquecido diretamente por esta; pelo contrário, durante o dia o globo aquece em primeiro lugar, e é a partir dele que o calor passa (por convecção, ver adiante) para o ar. De modo análogo provoca, o globo, o arrefecimento noturno do ar. As oscilações diárias de temperatura são, assim, máximas na superfície do globo; a 2 m de altura, onde se efetuam as observações climatológicas, são um pouco mais reduzidas e a algumas centenas de metros, a diferença entre as temperaturas do dia e da noite, no ar livre, não ultrapassa 1°C.
Nas noites claras e calmas do Outono e Primavera, a camada inferior do ar, por permanecer em contato constante com o solo, arrefece consideravelmente, podendo atingir-se o ponto de orvalho, com a formação de nevoeiro, orvalho e, se o arrefecimento ultrapassa 0°, geada, principalmente nos locais baixos, para onde conflui o ar frio.

É o arrefecimento por radiação. Pode-se suavizar os seus efeitos lançando na atmosfera vapor de água ou fumos, que aumentarão a radiação descendente, salvando-se assim culturas mais sensíveis, desde que a temperatura não baixe excessivamente.

Contra o arrefecimento de advecção, provocado no Inverno pela chegada de ar muito frio, transportado por ventos fortes, não há qualquer defesa.  Não confunda a convecção que é o movimento vertical de massas, frias para baixo, quentes para cima, decorrentes do agente externo 'gravidade', com advecção, que é o movimento horizontal de massas (só quentes ou só frias) decorrentes de agentes como o vento e outros.

Até aqui falamos só do transporte térmico pela radiação. Ora, na natureza, esse transporte pode ainda efetuar-se por três outros processos importantes e que são a condução (que se verifica, por exemplo, numa barra metálica aquecida num dos extremos, propagando-se rapidamente, o calor  ao outro extremo), a advecçao (em que o calor é transportado por um corpo em movimento horizontal) e a convecção (mistura no interior dum fluido, por subida da parte inferior e descida da superior). A convecção pode ser 'automática', quando a parte inferior do fluido é a menos densa e o atrito fraco (por exemplo, ar aquecido em contato com o solo, durante o dia, ou aquecimento de água numa vasilha ao fogo), ou 'forçada', quando a parte menos densa do fluido está por cima ou o atrito interno é grande (por exemplo, sopas espessas, polentas, etc., que têm de ser mexidas para que aqueçam por igual).

A condução do calor no globo terrestre é um fenômeno de importância decisiva. A sua progressão é lenta. As oscilações periódicas que se observam à superfície penetram no solo com atraso e atenuadas: a diferença do dia para a noite, a 50 cm de profundidade, quase desaparece; igualmente quase se anula a 10 m a variação do Verão para o Inverno (eis o porque das adegas serem subterrâneas). Como naquela profundidade o retardamento é de cerca de seis meses, verifica-se no Inverno uma temperatura levemente mais alta do que no Estio. O solo solto e a neve conduzem mal o calor; 1 cm de neve fresca protege das trocas de calor tanto como cerca de 4 cm de solo. Em geral, os terrenos conseguem armazenar alguma energia térmica, do Verão para o Inverno, entre 1200 a 2000 cal/cm2, ou seja tanto quanto o calor recebido da radiação solar em três dias quentes de Verão.

Totalmente diferente é o transporte de calor nos lagos e no mar. No Verão, com tempo calmo e claro, só a parte superficial da água aquece, já que lá toda a radiação é absorvida, mas, logo que surja o vento, estabelece-se uma convecção forçada, que faz descer a água mais quente, por troca com a mais fria, que sobe.
Como consequência, a superfície do mar mantém-se, no Verão, mais fria do que a terra firme, mas também o aquecimento estival e o arrefecimento invernoso atingem zonas muito mais profundas, por exemplo 50 m, no Báltico. Tendo presente que, desde o Inverno até ao fim do Verão, a temperatura àquela profundidade aumenta cerca de 8°, isso representa a absorção de 5 000 x 8 = 40 000 cal/cm2 da superfície (a coluna de 1 cm2 de base e 50 m de altura tem o volume de 5000 cm³), quantidade de calor correspondente à radiação solar recebida durante oitenta dias quentes de Verão, e que contribui, durante o Inverno para amenizar o clima das regiões costeiras. Assim se esclarece o importante papel climático desempenhado pelos mares.
Uma cobertura de gelo sobre o mar impedirá a passagem de calor da água para o ar, preservando assim, de arrefecimento as águas mais profundas, pois o calor, só por condução, e muito lentamente, conseguirá escapar pelo gelo.

A advecção de calor é muito significativa do ponto de vista climatológico, como acontece, por exemplo, com a corrente do Golfo, formada por águas quentes que, no mar das Caraíbas, têm temperatura superior a 27°C, e cuja ação se faz sentir em toda a costa ocidental da Europa.
Também as massas de ar guardam os seus teores caloríficos durante semanas, mantendo as suas características em percursos de milhares de quilômetros com alterações lentas provocadas pela radiação e pelo contacto com água quente. Quando o ar se desloca sobre o mar, toma sempre, com diferenças muito pequenas, a temperatura da água à superfície, porque a capacidade térmica da água, para volumes iguais, é cerca de 3200 vezes maior do que a do ar (com 1 cal/cm2 eleva-se de 1° a temperatura de uma camada de água com 1 cm de espessura; com o mesmo calor, eleva-se de 1° a temperatura de uma camada de ar com 32 m).

As seguintes considerações mostram como o mar influencia fortemente o clima: no começo de Janeiro, a Terra, por se encontrar mais perto do Sol, recebe mais 7% de radiação solar do que no começo de Julho, o que deverá exprimir-se por uma temperatura média do ar (para todo o planeta) mais alta naquele mês do que neste último, excedente que ainda subsiste mesmo depois de corrigido dos efeitos duma maior irradiação (conforme s.T4). Calcula-se em cerca de 3° o valor desse excedente. Todavia, a observação mostra que aquela temperatura média é 12,5°C em Janeiro e 16,1°C em Julho. A explicação é simples: no hemisfério norte há muito mais terra emersa do que no hemisfério sul, o que provoca muito maior oscilação de temperatura entre o Inverno e o Verão (Janeiro, 8,1°, Julho, 22,4°) do que no hemisfério sul (Janeiro 17,0°,. Julho 9,7°). Destes valores imediatamente se deduzem as médias para a Terra, já citadas.

Perante a radiação solar são desprezíveis as restantes fontes de calor da Terra: do interior do globo chegam à superfície apenas 10-4 cal/(cm2.min), ou cerca de 50 cal/(cm2.ano), calor que provém na quase totalidade de desintegrações radioativas de elementos da crosta exterior; das estrelas chega-nos uma radiação que não ultrapassa 10-8 cal/(cm2.min), os raios cósmicos ainda transportam menos energia. Quanto à Lua, na fase de cheia, recebemos dela 2.10-5 cal/(cm2.min), do qual 1/4 é refletido do Sol e o restante é radiação própria do satélite.

Uma excelente prova de como a atmosfera tem uma ação decisiva na suavização do clima terrestre é a comparação entre o que se passa na Terra e na Lua, que não possui atmosfera: o dia lunar dura quase um mês atingindo a temperatura valores da ordem dos 110°C na face iluminada, enquanto na outra face baixa aos -150°C.

Contra tais extremos nos defende a atmosfera, durante o dia enfraquecendo a radiação solar e durante a noite beneficiando-nos com a radiação descendente.
A radiação cósmica, conquanto rica de energia quando considerada isoladamente, é demasiado rara para transportar, globalmente, muita energia; menos do que 10-8cal(cm2.min).

Segue: Balanço Térmico e Composição dos Mares

 


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