UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

CENTRO DE CIÊNCIAS MATEMÁTICAS E DA NATUREZA INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE METEOROLOGIA

O AQUECIMENTO DA TERRA E DA ATMOSFERA1

POR

DANIEL PIGOZZO MARIA GERTRUDES ALVAREZ JUSTI DA SILVA

RIO DE JANEIRO, RJ NOVEMBRO, 1998

1 Tradução com finalidade didática de: AHRENS, A. D. Essentials of Meteorology: an invitation to the atmosphere. West Publishing Company, New York, 1993. Cap. 2, p 26-51.

O Aquecimento da Terra e da Atmosfera Temperatura e Transferência de Calor Calor Latente Escalas de Temperatura Condução Convecção Radiação Balanço Térmico - Absorção, Emissão e Equilíbrio Absorvedores Seletivos e o Efeito Estufa Atmosférico Intensificares do Efeito Estufa O Aquecimento do Ar de Baixo para Cima A Energia Solar que nos Chega O Balanço Energético Anual da Terra A Energia Solar e a Aurora Por que a Terra tem Estações Estações no Hemisfério Norte Estações no Hemisfério Sul Variações Sazonais Locais Resumo Termos Chave Questões de Revisão

Ao mesmo tempo que está aí sentado lendo este texto, você é parte de uma grandiosa experiência de movimento. A Terra está girando em volta do Sol a milhares de quilômetros por hora, enquanto ao mesmo tempo ela gira em torno de seu eixo. Quando olhamos diretamente para o Pólo Norte, nós vemos que a direção da rotação é contra o movimento dos ponteiros do relógio, o que quer dizer que estamos nos movendo em direção a leste a milhares de quilômetros por hora. Normalmente não pensamos nisso dessa maneira, mas, com certeza, isto é o que faz com que o sol, a lua e as estrelas nasçam em leste e se ponham no oeste. De fato, são estes movimentos, juntos com a energia do sol, que dão origem as nossas estações. Mas, como veremos adiante, a energia solar não é distribuída igualmente por toda a superfície da Terra, estando as regiões tropicais recebendo mais energia do que as regiões polares. É esta energia não equilibrada que guia nossa atmosfera nos padrões dinâmicos que nós experimentamos como ventos e como nosso tempo meteorológico. Portanto, começaremos este capítulo examinando os conceitos de energia e transferência de calor. Depois, veremos como nossa atmosfera se esquenta e se resfria. E por último, veremos como o movimento da Terra e a energia solar trabalham juntos para produzir as estações. Temperatura e Transferência de Calor A temperatura é uma quantidade que nos diz quão quente ou frio algo está relativo a algum valor padrão. Mas podemos olhar a temperatura de outra maneira. Sabemos que o ar é uma mistura incontável de bilhões de átomos e moléculas. Se eles pudessem ser vistos, apareceriam se movendo em todas as direções, se lançando livremente, torcendo-

se, girando e colidindo uns com os outros, como um enorme enxame de abelhas nervosas. Perto da superfície da Terra, cada molécula poderá viajar pelo menos mil vezes o seu diâmetro antes de colidir com outra molécula. Além disso, perceberíamos que todos os átomos e moléculas não estão se movendo a mesma velocidade, alguns estão se movendo mais rápido do que outros. A energia associada a este movimento é chamada energia cinética, a energia do movimento. A temperatura do ar (ou de qualquer substância) é uma medida da sua energia cinética média. Falando de uma maneira simples, a temperatura é uma medida da velocidade média dos átomos e moléculas, onde maiores temperaturas correspondem a maiores velocidades médias. Se nós lentamente resfriarmos o ar, seus átomos e moléculas se moverão mais devagar e devagar até que o ar atinja a temperatura de -273º C (-459º F), que é a menor temperatura possível. Nesta temperatura, chamada zero absoluto, os átomos e moléculas possuiriam uma quantidade mínima de energia e teoricamente nenhum movimento térmico. No zero absoluto, nós podemos começar uma escala de temperatura chamada de absoluta ou escala Kelvin, devida à Lorde Kelvin (1814-1907), um famoso cientista britânico que a introduziu. (Se você não está familiarizado com esta escala, ou com as escalas Celsius ou Fahrenheit, leia a seção focus.) A atmosfera tem uma energia interna (térmica), que é a energia que ela possui devida a sua temperatura. O calor, por outro lado, é energia envolvida no processo de transferência de um objeto para outro por causa da diferença de temperatura que há entre eles. Depois de ser transferido, o calor é armazenado como energia interna. Na atmosfera, o calor é transferido por condução, convecção e radiação. Examinaremos com mais detalhe estes mecanismos de transferência de energia depois de darmos uma olhada no conceito de calor latente.

Calor Latente – A energia térmica necessária para mudar o estado de uma substância é chamada de calor latente. Mas por que este calor é chamado "latente"? Para responder essa pergunta, começaremos com algo bastante familiar para nós - o resfriamento produzido pela evaporação d'água. Suponha que examinemos microscopicamente uma pequena gota de água pura. Na superfície da gota, moléculas estão escapando constantemente (evaporando). Por estarem mais energizadas, as moléculas que se movem mais rápido, escapam mais facilmente, o movimento médio de todas as moléculas deixadas para trás diminui na medida em que cada molécula evapora. Uma vez que temperatura é a medida do movimento molecular médio, um movimento mais lento sugere uma menor temperatura da água. A evaporação é portanto um processo de resfriamento. Analisando por outro lado, a evaporação é um processo de resfriamento porque a energia necessária para evaporar a água - ou seja, para mudar sua fase de líquida para gasosa - deve vir da água ou de outras fontes, incluindo o ar. A energia perdida pela água líquida durante a evaporação será armazenada e carregada com a molécula de vapor d'água. A energia está então “armazenada” ou ”escondida” e é portanto chamada calor latente. Ele é latente, porque a temperatura de uma substância mudando do estado líquido para o gasoso fica constante. Todavia, a energia térmica vai reaparecer como calor sensível (o calor que podemos sentir e medir com um termômetro) quando o vapor condensar novamente em água líquida. Portanto, a condensação (o oposto de evaporação) é um processo de aquecimento. A energia térmica liberada quando o vapor d'água se condensa para formar gotas de chuva é chamado calor latente de condensação. Inversamente, a energia térmica usada para transformar líquido em vapor a mesma temperatura é chamada calor latente de evaporação (vaporização). Perto de 600 calorias2 são necessárias para evaporar uma simples grama de água a temperatura ambiente. Com muitas centenas de gramas de água evaporando do corpo, não é de se admirar que depois de um banho, sentimos frio antes de nos enxugarmos. A fig. 2.1 resume bem os conceitos examinados até agora. Quando a mudança de estado é da esquerda para a direita, o calor é absorvido pela substância e retirado do meio ambiente. Quando a mudança de estado é da direita para a esquerda, a energia térmica é liberada pela substância e adicionada ao meio ambiente. O calor latente é uma fonte importante de energia para a atmosfera. Uma vez que moléculas de vapor se separam da superfície da Terra, elas são carregadas pelo vento, como poeira depois de

2 Por definição, uma caloria é a quantidade de calor necessária para aumentar a temperatura de 1 grama de água de 14,50 C para 15,50 C.

varridas. Subindo a grandes altitudes, onde o ar é frio, o vapor se transforma em líquido e partículas de gelo nas nuvens. Durante esse processo, uma tremenda quantidade de energia térmica é liberada no ambiente. (Veja fig. 2.2). O vapor d'água evaporando das quentes águas tropicais, pode ser transportado até regiões polares, onde se condensa e libera energia térmica. Assim como veremos, o processo de evaporação–transporte–condensação é um mecanismo extremamente importante para a recolocação da energia térmica (assim como da água) na atmosfera. Condução - A transferência de calor de molécula para molécula em uma substância é chamada condução. Segure uma extremidade de um pino de metal entre seus dedos e coloque a chama de uma vela na outra extremidade (veja Fig. 2.3). Por causa da energia absorvida da chama, as moléculas do pino vibram mais rapidamente. Essas moléculas colidem com suas vizinhas, fazendo estas se moverem mais rápido. Essas, do mesmo jeito, colidem com suas vizinhas, e assim vai até que as moléculas da outra extremidade começam a vibrar rapidamente também. Esse rápido movimento das moléculas eventualmente faz com que as moléculas do seu dedo vibrem mais rápido. O calor está sendo agora transferido do pino para o seu dedo, e ambos, o pino e seu dedo estão quentes. Se calor suficiente é transferido, você soltará o pino. A transmissão de calor de um lado para outro do pino, e do pino para o seus dedos, ocorre por condução. A transferência de calor neste sistema sempre flui das regiões mais quentes para as mais frias. Geralmente, quanto maior a diferença de temperaturas, mais rápida é a transferência de calor.

Quando os materiais podem passar energia facilmente de uma molécula para outra, eles são considerados bons condutores de energia. Quão bem eles conduzem calor, depende primordialmente de como suas cadeias moleculares estão estruturadas entre elas. A Tabela 2.1 mostra que sólidos, como metais, são bons condutores térmicos. Muitas vezes é difícil estimar a temperatura de objetos metálicos. Por exemplo, se você pega um cano metálico a temperatura ambiente, ele parecerá muito mais frio do que realmente está, porque os metais conduzem o calor para fora da mão muito rápido. Inversamente, o ar é um condutor muito pobre de calor, o que explica porque muitos materiais que são isolantes térmicos possuem vários espaços de ar dentro deles. O ar é um condutor tão pobre de calor, que em tempo calmo, o solo quente somente esquenta uma fina camada de atmosfera de alguns centímetros por condução. Todavia, o ar pode carregar esta energia rapidamente de uma região para outra. Como é que este fenômeno ocorre então?

Convecção - A transferência de calor pelo movimento da massa de um fluído (como a água e o ar) é chamada convecção. Este tipo de transferência térmica aparece em líquidos e gases,

porque eles podem se mover livremente e é possível estabelecer correntes dentro deles. Convecção ocorre naturalmente na atmosfera. Num dia quente de sol, certas áreas da superfície da Terra absorvem mais energia do que outras. Consequentemente, o ar perto da superfície é aquecido diferencialmente. As moléculas de ar adjacentes a estas superfícies quentes, ganham energia extra por condução. O ar aquecido se expande, ficando menos denso que o ar mais frio a sua volta. O ar aquecido é levantado e ascende. Desta maneira, grandes bolhas de ar ascendem e transferem energia para longe da superfície. O ar frio, mais pesado, flui em direção a superfície para repor o ar ascendente. Este ar frio se torna quente, então ascende e o ciclo se repete. Em meteorologia, esta troca vertical de calor é chamada convecção, e as bolhas de ar ascendente são conhecidas como térmicas (fig. 2.4). O ar ascendente se expande, resfria-se e gradualmente se espalha horizontalmente, e lentamente começa a descer. Perto da superfície, ele volta para a região quente, repondo o ar ascendente. Desta forma, uma circulação convectiva, ou uma "célula" térmica é produzida na atmosfera. Embora todo o processo de ascensão do ar quente, espalhamento horizontal, descida e volta em direção ao seu local de origem seja conhecido como circulação convectiva, os meteorologistas usualmente restringem o termo convecção para o processo de ascensão e da descida da circulação. O movimento horizontal da circulação (chamado vento) carrega propriedades do ar da sua área particular de origem com ele. A transferência dessas propriedades por movimento horizontal do ar é chamada advecção. Por exemplo, o vento soprando por sobre um corpo d'água, carregará consigo vapor d'água da superfície de evaporação, levando-o para outras partes da atmosfera. Se o ar se resfria, o vapor d'água talvez se condense em gotas de nuvem e libere calor latente. Neste sentido, o calor é advectado (carregado) pelo vapor d’água para longe com o vento. Hoje, vemos que este é um importante processo de redistribuição da energia térmica na atmosfera. Na circulação convectiva, você pode ter notado que assim como o ar quente da superfície estava ascendendo, ele também estava resfriando-se. Na nossa atmosfera, qualquer parcela de ar que ascender, irá expandir-se e resfriar-se, e qualquer ar que descender, será comprimido e será aquecido. Este importante conceito é detalhado na sessão Focus na página 31. Radiação - Num dia de verão você deve ter notado o quão quente sua face fica se você expô-la ao sol. Os raios solares viajam pelo ar a sua volta, sem produzir muitos efeitos no mesmo. Sua face, no entanto, absorve essa energia e a converte em energia térmica. Entretanto, os raios solares aquecem sua face, sem efetivamente aquecer o ar. A energia transferida do sol para a sua face é

chamada energia radiante ou radiação. Elas viajam na forma de ondas que liberam energia quando são absorvidas por um objeto. Por possuírem propriedades magnéticas e elétricas, nós a chamamos de ondas eletromagnéticas. As ondas eletromagnéticas não precisam de moléculas para se propagarem. No vácuo, elas viajam a uma velocidade constante de 300.000 km por segundo - à velocidade da luz. A fig. 2.5 nos mostra alguns dos diferentes comprimentos de onda da radiação. Note que comprimento de onda é a distância medida ao longo da onda, de uma crista a outra. Note também que algumas ondas tem um comprimento extremamente pequeno. Por exemplo, a radiação que podemos ver (luz visível) tem um comprimento de onda na ordem de um milionésimo de metro - a distância aproximadamente de um centésimo do diâmetro do fio de cabelo humano. Para medir esses comprimentos pequenos, introduzimos uma nova unidade de medida, chamada micrômetro (abreviação µm); que é igual a um milionésimo do metro (m).

1 micrômetro = 0,000001 m = 10-6 m Na fig. 2.5, podemos ver que o comprimento de onda médio da luz visível é por volta de 0,0000005 metros, o que é o mesmo que 0,5 micrômetros. Para te dar um objeto mais comum de comparação, a altura média de uma letra desta página é da ordem de 2000 micrômetros, ou 2 milímetros.

Podemos ver também na fig. 2.5, que as ondas longas carregam menos energia do que as curtas. Quando comparamos a energia carregada por várias ondas, é útil dar as características eletromagnéticas da radiação das partículas a fim de explicar algumas das características do comportamento das ondas. Podemos efetivamente pensar em radiação como sendo correntes de partículas ou fótons que são pacotes discretos de energia.

Um fóton ultravioleta carrega mais energia do que um fóton infravermelho. De fato, certos fótons ultravioletas tem energia suficiente para produzir queimaduras solares e penetrar nos tecidos da pele, ás vezes causando câncer. Como vimos no Cap. 1, é o ozônio na estratosfera que nos protege da maioria desses raios nocivos. Para melhor compreender o conceito de radiação, aqui estão alguns conceitos e fatos importantes para lembrar: 1. Todas os objetos (cuja temperatura esteja acima do zero absoluto), não importa quão grande ou pequeno ele seja, emite radiação. O ar, seu corpo, as flores, as árvores, a Terra, as estrelas, estão todos emitindo um amplo espectro de ondas eletromagnéticas. A energia tem origem na rápida vibração dos elétrons, bilhões dos quais existem em cada objeto. 2. Os comprimentos de onda de radiação que cada objeto emite, depende primeiramente da temperatura

do objeto. Quanto maior a temperatura do objeto, menores são os comprimentos de onda da radiação emitida. Pelo mesmo princípio, assim que a temperatura de um objeto aumenta, seu pico de emissão de radiação tende em direção as ondas curtas. 3. Objetos com temperaturas altas emitem radiação numa razão maior do que objetos com baixas temperaturas. Desta forma, assim que a temperatura de um objeto aumenta, mais radiação total (numa superfície dada) é emitida por segundo. Objetos com uma temperatura alta (por volta de 500ºC) irradiam ondas com vários comprimentos, mas alguns deles são pequenos o suficiente para estimular a sensação de calor. Geralmente vemos esses objetos brilharem em vermelho. Objetos mais frios que isto, irradiam comprimentos muito longos para que possamos ver. A página deste livro, por exemplo, está irradiando ondas eletromagnéticas. Mas porque sua temperatura está apenas por volta de 20ºC (68ºF), as ondas emitidas são muito longas para estimular a visão. Somos capazes de ver a página do livro, todavia, por causa de ondas de luz de outras fontes (como lâmpadas ou o sol) que estão sendo refletidas pelo papel. Se levássemos este livro para um quarto completamente escuro, ele continuaria a irradiar, mas as páginas apareceriam negras porque não existiria ondas de luz visível no quarto para serem refletidas na página. O sol emite radiação em aproximadamente todos os comprimentos de onda, mas, porque sua superfície é quente - 6000K - ele irradia a maioria da sua energia em comprimentos de onda relativamente pequenos. Se formos observar a quantidade de radiação emitida pelo sol em cada comprimento de onda, obteremos o espectro eletromagnético do sol. Uma parte desse espectro está mostrada na Fig. 2.6. Note que a maior quantidade de radiação emitida pelo sol está na faixa do comprimento de onda de 0,5 micrômetros. Já que nossos olhos são sensíveis a radiação entre 0,4 e 0,7 micrômetros, essas ondas alcançam nossos olhos estimulando a sensação de cor. Essa porção do espectro é, por isso, referida como região visível, e a luz que alcança nossos olhos é chamada luz visível. A cor violeta é o menor comprimento de onda da luz visível. Comprimentos de onda menor do que o violeta (0,4 micrômetros) são correspondentes à radiação ultravioleta (UV). Os maiores comprimentos de onda da luz visível correspondem à luz vermelha. Comprimentos maiores do que o vermelho (0,7 micrômetros) são conhecidos como sendo da radiação infravermelha (IR).

Enquanto que o sol quente emite apenas uma parte da sua energia na porção infravermelha do espectro, a Terra, relativamente fria, emite quase toda a sua energia no comprimento de onda do infravermelho. De fato, a Terra, com uma temperatura média por volta de 288k (15º C, ou 59º F), irradia aproximadamente toda a sua energia entre 5 e 25 micrômetros, com um pico de máxima intensidade na região do infravermelho perto de 10 micrômetros. (Veja fig. 2.7).

Uma vez que o sol irradia a maioria de sua energia em comprimentos de onda muito menores do que a Terra, a radiação solar é também chamada radiação de ondas curtas, enquanto que a radiação da Terra é denominada como radiação de ondas longas.

Balanço Térmico - Absorção, Emissão e Equilíbrio Se a Terra e todas as coisas nela estão continuamente irradiando energia, porque então tudo não se resfria progressivamente? A resposta é que todos os objetos não só irradiam energia, mas também absorvem do mesmo modo. Se um objeto irradia mais energia do que absorve, ele se resfria, se este objeto absorve mais energia do que emite, ele se aquece. Num dia de sol, a superfície da Terra se aquece absorvendo mais energia do sol e da atmosfera do que reirradia, enquanto que, durante a noite, o solo se resfria irradiando mais energia do que absorve do ambiente. Quando um objeto emite e absorve energia em razões iguais, sua temperatura permanece constante. A proporção na qual um objeto irradia e absorve energia depende fortemente das características da sua superfície, como cor, textura e umidade, assim como da temperatura. Por exemplo, um objeto preto, exposto a luz solar direta, é um bom absorvedor de radiação. Ele converte energia do sol em energia interna e, consequentemente, sua temperatura aumenta. Basta apenas que você ande descalço numa estrada com asfalto preto, numa tarde de verão, para comprovar isto. Durante a noite, a cobertura preta da estrada se resfriará rapidamente, emitindo energia no infravermelho e, pela manhã, ela deverá estar mais fria do que as superfícies em redor. Todos os objetos que são perfeitos absorvedores (ou seja, absorvem toda a radiação que incida sobre eles) e emissores perfeitos (emitem a máxima radiação possível numa dada temperatura) são chamados corpos negros. Os corpos negros não precisam necessariamente estar tingidos de preto, eles simplesmente precisam absorver e emitir toda radiação possível. Uma vez que a superfície da Terra e o Sol absorvem e irradiam com aproximadamente 100% de eficiência para suas respectivas temperaturas, ambos se comportam como corpos negros. Quando olhamos a Terra do espaço, vemos que metade dela está na luz, e a outra metade na escuridão. A energia emanada do Sol, constantemente banha a Terra com radiação, enquanto que a Terra, por sua vez, emite constantemente radiação infravermelha. Se nós assumirmos que não há nenhum outro método de transferência de calor, então, quando a razão de absorção de radiação solar, se igualar a razão de emissão de radiação infravermelha do solo, um estado de equilíbrio radioativo é alcançado. A temperatura na qual isto ocorre é denominada temperatura de equilíbrio radioativo. Nesta

temperatura, a Terra (comportando-se como um corpo negro) está absorvendo radiação solar e emitindo radiação infravermelha em razões iguais, e sua temperatura média não muda. Como a Terra está por volta de 150 milhões de km distante do sol, a temperatura de equilíbrio radioativo da Terra é por volta de 255K (-18º C).Mas esta temperatura é muito menor do que a temperatura média observada da superfície, que é de 288K (15ºC). Por que há então tal diferença? A resposta está no fato de que a atmosfera da Terra absorve e emite radiação infravermelha. Diferente da Terra, a atmosfera não se comporta como um corpo negro, pois absorve alguns comprimentos de onda de radiação e é transparente a outros. Objetos que absorvem e emitem seletivamente radiação como os gases na nossa atmosfera, são conhecidos como absorvedores seletivos. Absorvedores Seletivos e o Efeito Estufa Atmosférico - Existem vários absorvedores seletivos no nosso meio ambiente. A neve, por exemplo, é um bom absorvedor de radiação infravermelha, mas um pobre absorvedor de luz solar. Objetos que absorvem energia seletivamente, normalmente emitem radiação seletivamente no mesmo comprimento de onda. A neve é, portanto, um bom emissor de energia no infravermelho. A noite, a superfície da neve emite muito mais energia do que ela absorve do ambiente. Essa grande perda de radiação infravermelha (somada às qualidades isolantes da neve) fazem com que o ar, acima de uma superfície de neve numa noite clara de inverno se torne extremamente frio. A fig. 2.8 nos mostra alguns dos mais importantes gases seletores na nossa atmosfera. Note que ambos o vapor d' água (H2O) e o dióxido de carbono (CO2) são fortes absorvedores de radiação infravermelha e pobres absorvedores da radiação visível do sol. Outros absorvedores seletivos menos importantes incluem óxido nitroso (N2O), metano (CH4), e ozônio (O3), que é mais abundante na estratosfera. (Veja Cap. 1). Como estes gases absorvem radiação infravermelha emitida pela superfície da Terra, eles adquirem energia cinética (energia do movimento). As moléculas de gás partilham essa energia colidindo com moléculas de ar vizinhas, como oxigênio e nitrogênio (ambos são pobres absorvedores de energia infravermelha). Essas colisões aumentam a energia cinética média do ar, o que resulta num aumento de temperatura. Desta forma, uma parte da energia infravermelha emitida pela superfície da Terra aquece a baixa atmosfera. O vapor d'água e o CO2, além de serem absorvedores seletivos, eles também emitem radiação seletivamente nos comprimentos do infravermelho. Esta radiação parte desses gases em todas as direções. Uma porção dessa energia é irradiada em direção a superfície da Terra e é absorvida, aquecendo o solo. A Terra, por sua vez, reirradia energia infravermelha para cima, onde ela é

absorvida e por sua vez, aquece a baixa atmosfera. Desta maneira, o vapor d'água e o CO2 absorvem e reirradiam energia infravermelha e agem como uma camada isolante em torno da Terra, impedindo que parte da radiação infravermelha da Terra escape rapidamente para o espaço. Consequentemente, a superfície da Terra e a baixa atmosfera são muito mais quentes do que deveriam ser se esses gases absorvedores seletivos não estivessem presentes. De fato, como já vimos, a temperatura média de equilíbrio radioativo sem o CO2 e o vapor d'água seria por volta de -18º C (0º F), ou por volta de 33º C (59º F) abaixo do que o presente. As características de absorção do vapor d'água, CO2 e outros gases como metano e óxido nitroso (veja fig. 2.8), são, até certo ponto, semelhantes às do vidro de uma estufa para flores. Numa estufa, o vidro permite a entrada de radiação visível, mas inibe até certo ponto a saída da radiação infravermelha. Por esta razão, o comportamento do vapor d'água e do CO2 na atmosfera é popularmente chamado efeito estufa. Todavia, estudos tem mostrado que o ar quente dentro de uma estufa, é provavelmente causado mais pela inabilidade do ar de circular e se misturar com o ar exterior mais frio, do que o cerco radioativo. Por causa desses achados, alguns cientistas insistem que o efeito estufa deva ser chamado de efeito atmosférico. Para acomodar a todos, usaremos o termo efeito estufa atmosférico ao descrever o papel que o vapor d'água e o CO2 desempenham na manutenção da temperatura média da Terra superior ao que ela deveria ser. Olhe novamente a figura 2.8 e observe que, no diagrama inferior, existe uma região aproximadamente entre 8 e 11 micrômetros onde nem o vapor d'água nem o CO2 absorvem habilmente a radiação infravermelha. Como esses comprimentos de onda da energia emitida passam subindo diretamente pela atmosfera em direção ao espaço, o espectro do comprimento de onda (entre 8 e 11 micrômetros) é conhecido como janela atmosférica. A noite, nuvens podem elevar o efeito estufa atmosférico. As minúsculas gotículas líquidas de nuvens são absorvedores seletivos, já que são boas absorvedoras de radiação infravermelha, mas pobres absorvedores da radiação solar visível. As nuvens igualmente absorvem os comprimentos de onda entre 8 e 11 micrômetros, os quais por outro lado, "passam" pelo vapor d'água e CO2. Assim, elas tem o efeito de aumentar o efeito estufa atmosférico fechando a janela atmosférica. As nuvens são também excelentes emissores de radiação infravermelha. Seu topo irradia energia infravermelha para cima e suas bases irradiam energia de volta para a superfície da Terra onde ela é reabsorvida e, num ciclo, reirradiada de volta para as nuvens. Este processo mantém noites calmas com céu encoberto mais quentes do que noites calmas com céu limpo. Se as nuvens continuarem até o próximo dia, elas evitam que grande parte da luz do sol atinja o solo, refletindo-a de volta para o espaço. Desde que o solo não se

aquecerá tanto quanto se estivesse exposto a luz direta do sol, dias calmos, com céu encoberto, são normalmente mais frios do que dias calmos, com céu limpo. Portanto, a presença de nuvens tende a manter altas temperaturas a noite e baixas temperaturas durante o dia. Resumindo, o efeito estufa atmosférico ocorre porque o vapor d’água, o CO2 e outros gases traços são absorvedores seletivos. Eles permitem que grande parte da radiação do sol alcance a superfície, mas eles absorvem uma boa porção da radiação infravermelha da Terra, evitando que ela escape para o espaço (veja Fig. 2.9). Intensificação do Efeito Estufa - Apesar das inexatidões que perseguem as medidas de temperatura, vários estudos sugerem que nos últimos 100 anos, a superfície da Terra vem sofrendo um leve aquecimento por volta de 0,6ºC. Modelos computacionais conhecidos como General Circulation Models (GCMs - Modelos de Circulação Geral), predizem que se semelhante aquecimento continuar irredutível, nós estamos irrevogavelmente entregues a algum tipo de mudança climática, notavelmente nos padrões mundiais de ventos que determinam a produção de tempestades ao longo do globo. Alguns cientistas acreditam que a principal causa do aquecimento é o gás do efeito estufa CO2, cuja concentração vem aumentando principalmente pela queima de combustíveis fósseis e desflorestamento. Todavia, nos últimos anos, o aumento da concentração de outros gases do efeito estufa, como o metano (CH4), óxido nitroso (N2O), e clorofluorcarbonos (CFCs), tem mostrado que, em conjunto, tem um efeito igual ao CO2. Observe a Fig. 2.8 e note que tanto CH4 quanto o N2O absorvem fortemente nos comprimentos de onda do infravermelho. Além disso, um CFC particular (CFC-12) absorve na região da janela atmosférica entre 8 e 11 micrômetros. Assim, nos termos de impacto na absorção de radiação infravermelha, a adição de uma simples molécula de CFC-12 na atmosfera é equivalente a adição de 10.000 moléculas de CO2. Hoje, a concentração de CO2 num volume de ar perto da superfície é por volta de 0,035 por cento. Alguns modelos computacionais predizem que ao se dobrar esta quantidade, causaremos um aumento entre 2º e 5º na temperatura média da superfície da Terra. Como se poderá, dobrando apenas uma pequena quantidade de CO2 e adicionando minúsculas quantidades de outros gases estufa, chegarmos a um aumento tão grande na temperatura? Modelos matemáticos climáticos prevêem que aumentando a temperatura dos oceanos, o resultado será um incremento nas taxas de evaporação. A adição de vapor d’água - o principal gás do efeito estufa - irá elevar o efeito estufa atmosférico e dobrar o aumento da temperatura, no que é conhecido como feedback positivo. Mas há

outros feedbacks a serem considerados3. Os dois maiores e menos entendidos

feedbacks potenciais no sistema climático são as nuvens e os oceanos. As nuvens podem mudar a área, a profundidade e as propriedades radiativas simultaneamente com as mudanças climáticas. O efeito líquido de todas essas mudanças não está muito bem entendido. Os oceanos, por outro lado, cobrem 70% de todo o planeta. A resposta das circulações oceânicas, das temperaturas oceânicas e do gelo marítimo ao aquecimento global vão determinar o padrão global e a velocidade das mudanças climáticas. Infelizmente, não é sabido quão rápido ou em qual direção cada um desses irá responder. Dados de satélite do Earth Radiation Budget Experiment (ERBE - Experimento de Balanço de Radiação da Terra) sugerem que as nuvens mostram-se como resfriadoras do clima na Terra, pois refletem e irradiam para fora mais energia do que guardam (a Terra seria mais quente se as nuvens não estivessem presentes). Então, um aumento na quantidade global de nuvens (se isto estivesse para ocorrer) poderia amenizar um pouco do aquecimento promovido pela intensificação do efeito estufa atmosférico. Portanto, se as nuvens atuarem no sistema climático dessa maneira, elas proveriam um feedback negativo nas mudanças climáticas.

Incertezas indiscutíveis existem sobre o impacto que o incremento nas quantidades de CO2 e outros gases traços terão na intensificação do efeito estufa atmosférico. Muitos (mas não todos) estudos científicos sugerem que um acréscimo na concentração desses gases na nossa atmosfera conduzirá a uma mudança climática em escala global durante o próximo século. Tal mudança poderá afetar os recursos hídricos e a produção agrícola (examinaremos este tópico mais adiante no capítulo 13, quando estudarmos mudanças climáticas com mais detalhes).

Aquecendo o Ar de Baixo para Cima - Num dia limpo, a energia solar passa através da baixa atmosfera com pouco efeito sobre o ar. Atinge então a superfície aquecendo-a (Fig. 2.10). As moléculas de ar em contado com a superfície aquecida oscilam se chocando contra ela, ganham energia por condução e em seguida se atiram para cima como pipocas que acabam de estourar, carregando sua energia com elas. Por ser o ar perto da superfície muito denso, essas moléculas viajam apenas uma pequena distância antes de se chocarem com outras moléculas. Durante a colisão, essas moléculas se movendo mais rapidamente partilham sua energia com moléculas menos energizadas, elevando a temperatura média do ar. Mas o ar é um fraco condutor de calor de tal modo que esse processo é importante apenas dentro de 3 Feedback é um processo no qual uma mudança inicial no processo tende ou a reforçar o processo (feedback positivo) ou a enfraquecer este processo (feedback negativo).

alguns centímetros perto do solo. Na medida em que o ar da superfície esquenta, ele se torna efetivamente menos denso do que o ar diretamente acima dele. O ar mais quente ascende e o ar mais frio desce, formando as térmicas, ou células de convecção livre que transferem calor para cima e o distribuem numa camada mais profunda de ar. O ar ascendente se expande e resfria e, se suficientemente úmido, o vapor d’água condensa em gotas de nuvem, liberando calor latente que esquenta o ar. Enquanto isso, o solo constantemente emite energia infravermelha, a qual está sendo absorvida e reemitida pelos gases estufa como vapor d’água e CO2. Como a concentração de vapor d’água decresce rapidamente na medida em que nos afastamos do solo, a maior parte da absorção ocorre numa camada perto da superfície. Portanto, a baixa atmosfera é aquecida principalmente de baixo para cima. A Energia Solar que Chega

Quando a energia radiante do sol viaja pelo espaço, essencialmente nada interfere com ela até que ela atinge a atmosfera. No topo da atmosfera, a energia solar recebida numa superfície perpendicular aos raios solares, apresenta-se razoavelmente constante e é aproximadamente duas calorias por centímetro quadrado a cada minuto - um valor chamado constante solar4. Ao entrar na atmosfera, ocorre um número de interações entre a atmosfera e a radiação solar. Por exemplo, parte da energia é absorvida por gases, tal como o ozônio, na alta atmosfera. Além disso, quando a luz do sol bate em partículas muito pequenas como moléculas de ar e partículas de poeira, a luz é defletida em todas as direções - para frente, para os lados e para trás. A distribuição da luz desta maneira é chamada espalhamento. (Luz espalhada é também chamada luz difusa). Sendo as moléculas de ar muito menores do que os comprimentos de onda da luz visível, elas são mais eficazes no espalhamento dos comprimentos de onda curta (azul) do que dos comprimentos de onda longa (vermelho). Daí, quando olhamos distante do raio de luz direta do sol, a luz azul atinge nossos olhos de todas as direções, tornando o céu azul durante do dia. Ao meio-dia, todos os comprimentos de onda da luz visível atingem nossos olhos e o sol é percebido como branco. No nascente e no poente, quando o raio de luz branco do sol precisa passar por uma espessa camada da atmosfera, o espalhamento pelas moléculas de ar removem a luz azul, deixando os comprimentos de onda longa do vermelho, laranja, e amarelo passarem, criando a imagem de um sol vermelho ou amarelado (Fig. 2.11).

4 A constante solar não é realmente “constante”. Medidas recentes feitas por satélite sugerem que a constante solar varia vagarosamente na medida em que varia a energia radiante emitida pelo sol.

A luz do sol pode ser refletida pelas nuvens e pela superfície da Terra. Albedo é a porcentagem da radiação refletida por uma superfície comparada com aquela que a atinge. O albedo, representa então, a refletividade da superfície. Note na Tabela 2.2 que nuvens mais espessas tem um albedo maior que nuvens finas. Na média, o albedo das nuvens é perto de 60 por cento. Quando a energia solar atinge uma superfície coberta com neve, mais de 95 por cento da luz solar pode ser refletida. No entanto, note na Tabela 2.2 que uma superfície de água reflete apenas uma pequena quantidade da luz solar, por volta de 10 por cento para um dia inteiro. Uma vez que a superfície da Terra é aproximadamente três quartos de água e os continentes são salpicados com árvores e vegetação, o albedo da superfície relativamente escura da Terra é cerca de 4 por cento. Consequentemente, podemos ver na Fig. 2.12 que em uma média calculada para um ano inteiro, a Terra e sua atmosfera redirecionam de volta para o espaço aproximadamente 30 por cento da radiação que chega do sol, o que dá a Terra e sua Atmosfera um albedo combinado de 30 por cento. O Balanço Anual de Energia da Terra - Embora a temperatura média em uma localidade possa variar consideravelmente de ano para ano, a temperatura média global de equilíbrio da Terra muda apenas suavemente de um ano para outro. Este fato indica que, a cada ano, a Terra e sua atmosfera combinadas devem enviar de volta para o espaço exatamente a mesma quantidade de energia que elas recebem do sol. O mesmo tipo de balanço energético deve existir entre a superfície da Terra e a atmosfera. Ou seja, a cada ano, a superfície da Terra deve devolver a atmosfera a mesma quantidade de energia que ela absorve. Se isto não ocorrer, a temperatura média da superfície da Terra mudará. Como a Terra e a atmosfera mantêm esse balanço energético anual? Suponha que 100 unidades de energia solar atinjam o topo da atmosfera terrestre. Nós já sabemos pela Fig. 2.12 que em média as nuvens, a Terra e a atmosfera refletem 30 unidades de volta para o espaço e que a atmosfera e as nuvens juntas absorvem 19 unidades, o que deixa 51 unidades de radiação direta e indireta (difusa) para serem absorvidas na superfície da Terra. A figura 2.13 mostra aproximadamente o que acontece com a radiação solar que é absorvida pela superfície e pela atmosfera. Das 51 unidades alcançando a superfície, uma grande quantidade (23 unidades) é usada para evaporar água e aproximadamente 7 unidades são perdidas por condução e convecção, o que deixa 21 unidades para serem irradiadas para fora como energia infravermelha. Observe atentamente a Fig. 2.13 e note que a superfície da Terra irradia realmente mais do que 117 unidades. Isso ocorre porque, embora ela receba radiação solar apenas durante o dia, ela constantemente emite energia infravermelha durante o dia e a noite. E além disso, a atmosfera em cima permite que apenas uma pequena fração dessa

energia (6 unidades) passe para o espaço. A maior parte (111 unidades) é reabsorvida principalmente pelos gases de efeito estufa vapor d’água e CO2, e pelas nuvens. Muita dessa energia (96 unidades) é então reirradiada de volta para a Terra, produzindo o efeito estufa atmosférico. Em todas essas trocas, note que a energia perdida na superfície da Terra (147 unidades) é exatamente balanceada pela energia ganha lá (147 unidades). Um balanço similar existe entre a superfície da Terra e sua atmosfera. De novo na Fig. 2.13 observe que a energia ganha pela atmosfera (160 unidades) equilibra a energia perdida. Além disso, numa média calculada para o ano inteiro, a energia solar recebida na superfície da Terra (51 unidades) e aquela absorvida pela atmosfera terrestre (19 unidades), equilibram a energia infravermelha perdida para o espaço pela superfície terrestre (6 unidades) e sua atmosfera (64 unidades). E mais, a Terra e a atmosfera absorvem energia do sol, assim como de uma para outra. Em todas as trocas energéticas, um delicado balanço é mantido. Essencialmente, não existe ganho ou perda anual no total de energia e a temperatura média da Terra e da atmosfera permanecem razoavelmente constantes de um ano para o próximo. Este equilíbrio não implica que a temperatura média da Terra não mude, mas que as mudanças são pequenas de um ano para outro (normalmente menos de um décimo de grau Celsius) e se torna significante apenas quando medida por vários anos.

Antes de volvermos nossa atenção para como a energia solar que entra produz as estações do ano, precisamos examinar como a energia solar, na forma de partículas, produz um deslumbrante show luminoso conhecido como aurora.

Energia Solar e a Aurora - Partindo do sol e de sua tênue atmosfera vêm uma descarga contínua de partículas. Esta descarga ocorre porque, a temperaturas extremamente altas, os gases se tornam saqueadores de elétrons por violentas colisões e adquirem velocidade suficiente para escapar ao arrasto gravitacional do sol. Como essas partículas carregadas (íons e elétrons) viajam através do espaço, elas são conhecidas como vento solar. Quando os ventos solares se movem perto o suficiente da Terra, ele interage com o campo magnético da Terra, perturbando-o. Este distúrbio motiva as partículas energéticas do vento solar a entrar na alta atmosfera, onde elas colidem com os gases atmosféricos. Esses gases se tornam estimulados e emitem radiação visível (luz), o que faz o céu brilhar como luz néon, produzindo então a aurora (Fig., 2.14).

A aparência efetiva da aurora pode variar. Algumas vezes ela mostra-se como uma fraca luminosidade branca ou vermelha, durando desde alguns minutos até algumas horas. A luz pode mover-se cruzando o céu como um arco verde-amarelo muito mais amplo do que um arco-íris; ou ela pode decorar o céu com chamas vacilantes de azul, verde e luz púrpura

que constantemente variam em forma e colocação, como se espalhadas por uma brisa leve.

No Hemisfério Norte, a aurora é chamada aurora boreal, ou luzes do norte, sua correspondente no Hemisfério Sul á a aurora austral, ou luzes do sul. A aurora é mais freqüentemente vista nas regiões polares, onde as linhas do campo magnético terrestre emergem da Terra. Mas durante os períodos de atividade solar quando ocorrem numerosas manchas solares e chamas gigantescas (erupções solares), grandes quantidades de partículas viajam para fora do sol em altas velocidades (centenas de milhas por segundo). Essas partículas energéticas são capazes de penetrar profundamente no campo magnético da Terra, onde elas fornecem energia suficiente para produzir os espetáculos da aurora. Durante essas condições no Norte da América, vemos a aurora mais ao sul do que o usual. Porque a Terra tem Estações - A Terra gira completamente em torno do sol num caminho elíptico ao longo de 365 dias (um ano). Assim como a Terra gira em torno do Sol, ela também gira em torno do seu próprio eixo em 24 horas (um dia) . A distância média da Terra para o Sol é 150 milhões de km. Por causa da órbita da Terra ser uma elipse ao invés de um círculo, a distância efetiva da Terra para o Sol varia ao longo do ano. A Terra se torna mais próxima do Sol em Janeiro (147 milhões de km) ao contrário do que ela faz em Julho (152 milhões de km). (Veja Fig. 2.15). A partir disso podemos concluir que nosso tempo mais quente deve ocorrer em Janeiro e nosso tempo mais frio em Julho. Mas, no Hemisfério Norte, nós normalmente experimentamos tempo frio em Janeiro quando estamos mais perto do sol e tempo quente em Julho quando estamos mais distante. Se a proximidade do sol fosse a causa primária das estações, então, de fato, Janeiro seria mais quente do que Julho. No entanto, proximidade do sol é apenas uma pequena parte da história. Nossas estações são reguladas pela quantidade de energia solar recebida na superfície da Terra. Essa quantia é determinada primeiramente pelo ângulo na qual a luz solar atinge a superfície, e por quanto tempo o sol brilha numa latitude qualquer (horas de luz no dia). Vamos olhar de mais perto para esses fatores. A energia solar que atinge perpendicularmente (diretamente) é muito mais intensa do que a energia solar que atinge a mesma superfície num ângulo. Imagine o brilho de uma lanterna incidindo diretamente numa parede - você terá uma pequena mancha circular de luz (Fig. 2.16). Agora, incline a lanterna e note como a mancha de luz se espalha por uma área maior. O mesmo princípio vale para a luz do sol. A luz do sol atingindo a Terra num ângulo se espalha e deve aquecer uma região maior do que a luz do sol chegando diretamente na Terra. Com todas as outras coisas sendo iguais, uma área experimentando mais diretamente os raios solares irá receber mais aquecimento do que a mesma área em tamanho

sendo atingida pela luz do sol num ângulo. Ainda mais, quanto mais os raios solares estiverem afastados da perpendicularidade, mais atmosfera eles precisam penetrar. E quanto mais atmosfera eles penetrarem, mais eles podem ser espalhados e absorvidos (atenuados). Como conseqüência, quando o sol está alto no céu, ele pode aquecer o solo a uma temperatura muito maior do que quando ele está baixo no horizonte. O segundo fator importante determinando quão quente a superfície terrestre se torna é a quantidade de tempo que o sol brilha a cada dia. Longas horas de luz solar, com certeza, significa que mais energia da luz solar está disponível. Numa dada localidade, mais energia solar alcança a superfície terrestre num dia claro e longo do que num dia que está claro mas é muito curto. Consequentemente, ocorre um maior aquecimento da superfície. A partir de uma observação casual, sabemos que os dias de verão possuem mais horas de luz do sol do que dias de inverno. Além disso, o sol de meio-dia no verão está mais alto do que o sol de meio-dia do inverno. Ambos os eventos ocorrem porque nosso planeta gira inclinado no seu eixo enquanto giramos em torno do sol. Como a fig. 2.17 ilustra, o ângulo de inclinação é 23½º da linha perpendicular ao plano de órbita da Terra. O eixo da Terra aponta na mesma direção no espaço ao longo de todo ano; então, o Hemisfério Norte está voltado para o sol no verão (julho), e distante do sol no inverno (dezembro). Estações do Ano no Hemisfério Norte - Note na Fig. 2.17 que em 22 de Junho, a parte norte do globo está voltada em direção ao sol. Ao meio-dia deste dia, os raios solares batem sobre o Hemisfério Norte mais diretamente do que durante qualquer outra época do ano. O sol está na sua mais alta posição no céu ao meio-dia, diretamente sobre 23½ºN de latitude (Trópico de Câncer). Se você estivesse de pé nesta localidade em 22 de Junho, o sol ao meio-dia estaria diretamente sobre sua cabeça. Este dia, chamado solstício de verão, é o primeiro dia do verão astronômico no Hemisfério Norte5. Estude atentamente a Fig. 2.17 e note que, como a Terra gira em torno de seu próprio eixo, o lado coberto pelo sol está no brilho solar e o outro lado na escuridão. Assim, metade do globo está sempre iluminado. Se o eixo da Terra não fosse inclinado, o sol de meio-dia estaria sempre diretamente em cima do equador, e teríamos 12 horas de luz do dia e 12 horas de escuridão a cada latitude todos os dias do ano. No entanto, a Terra está inclinada. Já que o Hemisfério Norte está diretamente voltado em direção ao sol em 22 de Junho, cada latitude no Hemisfério Norte terá mais

5 Vamos ver mais adiante que as estações ocorrem ao contrário no Hemisfério Sul. Portanto, no Hemisfério Sul este mesmo dia é o solstício de inverno, ou o primeiro dia do inverno astronômico.

de 12 horas de luz do dia. Quanto mais ao norte nós formos, mais longas são as horas de luz solar. Quando atingirmos o Círculo Ártico (66 ½º N), a luz do dia dura por 24 horas, pois o sol não se põe. Note na Fig. 2.17 como a região acima de 66 ½º nunca entra na zona “escura” enquanto a Terra gira. No Pólo Norte, o sol efetivamente ascende sobre o horizonte em 21 de Março e tem seis meses até que desça em 23 de Setembro. Não é de se admirar que esta região é conhecida como “Terra do Sol da Meia - Noite” (veja Fig. 2.18). No norte longínquo, o sol está acima do horizonte por muitas horas durante o verão (veja Tabela 2.3), o ar da superfície não está mais quente do que o ar mais ao sul, onde os dias são apreciavelmente menores. A razão para isso é mostrada na Fig. 2.19. Quando a radiação solar que chega (chamada insolação) penetra na atmosfera, poeira fina, moléculas de ar e nuvens a refletem e a espalham, e um pouco é absorvida pelos gases atmosféricos. Geralmente, quanto maior for a espessura de atmosfera que a luz do sol precisa penetrar, maiores são as chances de tanto ela ser refletida ou absorvida pela atmosfera. Durante o verão nas distantes latitudes do norte, o sol nunca está muito alto no horizonte, então sua energia radiante precisa passar por uma espessa porção de atmosfera antes de atingir a superfície da Terra. Um pouco da energia solar que alcança a superfície derrete o solo congelado ou é refletida pela neve ou gelo. E, o que é absorvido é espalhado por uma grande área. Então, mesmo que as cidades ao norte experimentem longas horas de luz solar, elas não são mais quentes que as cidades mais ao sul. Globalmente, elas recebem menos radiação na superfície e a radiação que recebem não aquece a superfície efetivamente. Observe a Fig. 2.17 novamente e note que, em 23 de setembro, a Terra terá se movido e o sol está diretamente sobre o equador. Exceto nos pólos, os dias e as noites ao longo do mundo têm igual duração. Este dia é chamado equinócio de outono, e marca o começo astronômico do outono no Hemisfério Norte. No Pólo Norte, o sol aparece no horizonte por 24 horas, devido a inclinação da luz pela atmosfera. No dia seguinte (ou no mínimo daqui a vários dias), o sol desaparece da vista, para não nascer novamente por longos seis meses. Ao longo da metade norte do mundo a cada dia sucessivo, o comprimento dos dias diminuirão e o sol de meio-dia estará cada vez mais baixo no céu. Menos luz direta do sol e poucas horas de luz do dia a seu turno trazem tempo frio para o Hemisfério Norte. Luz solar reduzida, baixas temperaturas do ar, e brisas frias estimulam a ostentação das lindas cores do outono. Em alguns anos, por volta do meio do outono, existe um aquecimento extemporâneo, especialmente nos dois terços leste dos Estados Unidos. Este período quente, referido como verão Indígena, pode durar por vários dias, uma semana ou mais. Ele usualmente ocorre quando uma grande área de alta pressão permanece por sobre a costa sudeste. O fluxo horário do ar em torno desse

sistema move o ar quente do Golfo do México até o interior da parte central ou leste da nação. O aquecimento, as suaves brisas e a fumaça de várias fontes respectivamente fazem os dias brandos e enevoados. O tempo quente termina abruptamente quando o ar polar se desloca lembrando-nos que o inverno não está longe. Em 22 de Dezembro (três meses depois do equinócio de outono), o Hemisfério Norte está inclinado e distante do sol como nunca ficará por todo o ano (veja Fig. 2.17). As noites são longas e os dias são curtos. Note na Tabela 2.3 que a luz do dia decresce de 12 horas no equador para 0 (zero) nas latitudes acima de 66½º (o círculo ártico). Este é o menor dia do ano, chamado solstício de inverno - o começo astronômico do inverno no norte do planeta. Neste dia, o sol brilha diretamente sobre a latitude 23½º S (Trópico de Capricórnio). Na metade norte do planeta, o sol está na posição mais baixa no meio do céu. Seus raios atravessam uma espessa sessão de atmosfera e se espalham por uma grande área na superfície. Com tão pouca incidência de luz solar, a superfície terrestre se resfria rapidamente. Uma cobertura de neve limpa cobrindo o solo ajuda o resfriamento. No norte do Canadá e no Alasca, o ar ártico rapidamente se torna extremamente frio tendendo ao equilíbrio, pronto para enfrentar uma batalha com o ar das latitudes médias ao sul. Periodicamente, este ar frio ártico impulsiona-se em direção ao norte dos Estados Unidos, produzindo uma rápida queda na temperatura chamada onda de frio, que ocasionalmente atinge o distante sul. Algumas vezes, esses turnos frios chegam bem antes do solstício de inverno - o primeiro dia oficial do inverno - trazendo com eles densas nevascas e vendavais. Três meses passados do solstício de inverno marcam a chegada astronômica da primavera. Conhecida como equinócio de primavera, a data é 21 de março e, novamente, o sol do meio-dia está brilhando diretamente sobre o equador, dias e noites por todo o mundo são de igual duração e, no pólo norte, o sol aparece no horizonte após longos seis meses de ausência. Até este ponto, vimos que as estações são controladas pela energia solar atingindo nosso planeta inclinado, enquanto ele realiza sua viagem anual em torno do sol. Esta inclinação da Terra causa uma variação temporal no comprimento do dia e na intensidade de luz solar que alcança a superfície. Por causa desses fatos, altas latitudes tendem a perder mais energia para o espaço a cada ano do que elas recebem do sol, enquanto que baixas latitudes tendem a ganhar mais energia durante o curso de uma ano do que perdem. A partir da Fig. 2.20, podemos ver que apenas nas latitudes médias, perto dos 37º, a quantidade de energia recebida a cada ano equilibra a quantidade perdida. A partir dessa situação, podemos concluir que as regiões polares estão se tornando mais frias a cada ano, enquanto que regiões tropicais estão se tornando mais quentes. Mas isto não acontece. Para

compensar esses ganhos e perdas de energia, ventos na atmosfera e correntes nos oceanos circulam ar e água quentes em direção aos pólos, e ar e água gelados em direção ao equador. Desta forma, a transferência de energia térmica pelas circulações atmosféricas e oceânicas previnem que as baixas latitudes se tornem extremamente geladas. Essas circulações são extremamente importantes para o tempo e o clima e serão tratadas mais detalhadamente no Capítulo 7. Estações do Ano no Hemisfério Sul - Em 22 de junho, o Hemisfério Sul está experimentando uma estação completamente diferente. Porque esta parte do mundo está agora inclinada para fora do sol, as noites são longas e os dias curtos, e os raios solares chegam num ângulo. Todos esses fatores mantém a temperatura do ar razoavelmente baixa. O solstício de junho marca o começo astronômico do inverno no Hemisfério Sul. Nesta parte do mundo, o verão não começará “oficialmente” antes que o sol esteja sobre o Trópico de Capricórnio (23½º) - lembre-se que isto ocorre em 22 de dezembro. Assim, quando é inverno (junho) no Hemisfério Sul, é verão no Hemisfério Norte. Se você está cansado do tempo quente de junho na sua cidade no Hemisfério Norte, viaje para a metade do globo em inverno e desfrute o tempo frio. A inclinação da Terra enquanto ela gira em torno do sol torna tudo isto possível. Nós sabemos que a Terra está mais perto do sol em janeiro do que em julho. No entanto essa diferença na distância é da ordem de apenas 3 por cento, a energia que atinge o topo da atmosfera terrestre é apenas 7 por cento maior em 3 de janeiro do que em 4 de julho. Esta estatística pode nos levar a crer que o verão no Hemisfério Sul é mais quente do que no Hemisfério Norte, o que, todavia não é o caso. Um exame mais detalhado do Hemisfério Sul nos revela que 81 por cento da sua superfície é água, comparada aos 61 porcento no Hemisfério Norte. A energia adicional devido a proximidade do sol, é absorvida por grandes corpos d’água, misturando-se e circulando com ela. Isto conserva as temperaturas médias do verão (janeiro) no Hemisfério Sul menores do que as temperaturas de verão (julho) no Hemisfério Norte. Por causa da grande capacidade térmica da água, ela também tende a manter o inverno no Hemisfério Sul mais quente do que poderíamos esperar6. Variações Locais Sazonais - A Figura 2.21 mostra como a posição do sol muda nas latitudes médias no Hemisfério Norte durante o curso de um ano. Note que, durante o inverno, o sol nasce em sudeste e se põe no sudoeste. Durante o verão, ele nasce em nordeste, alcança a posição maior no céu ao meio-dia, e se põe em noroeste. Claramente, objetos com face sul receberão mais luz solar durante um ano do que aqueles com face voltada

6 Para uma comparação das temperaturas de janeiro e julho veja as figuras 3.7 e 3.8.

para norte. Este fato se torna mais claro em escarpas ou terras montanhosas. Colinas com face voltada para sul recebem mais o brilho solar (Hemisfério Norte) e, consequentemente, se tornam mais quentes do que as parcialmente protegidas colinas com face voltada para o norte. Altas temperaturas normalmente significam maiores índices de evaporação e condições de solo um pouco mais áridas. Assim, as vertentes montanhosas com face sul são normalmente mais quentes e áridas quando comparadas com vertentes norte a mesma altitude (no Hemisfério Norte). Em muitas áreas do oeste distante, apenas uma vegetação dispersa cresce nas vertentes com face sul, enquanto que a mesma elevação, uma vegetação densa cresce no frescor, da úmida face norte da colina (veja Fig. 2.22). Nas montanhas, a neve normalmente demora no solo por um tempo muito maior nas faces norte das vertentes do que nas faces sul, mais quentes. Por esta razão, corridas de esqui são realizadas nas faces norte, quando possível. Igualmente, casas e cabanas construídas no lado norte de uma colina normalmente tem telhados bem inclinados, assim como estruturas reforçadas para suportar o peso adicional da neve nas sucessivas tempestades de inverno. As mudanças sazonais na posição do sol ao longo do ano podem ter um efeito na vegetação em torno da casa. No inverno, casas grandes, com dois pavimentos, pode sombrear seu próprio lado norte, mantendo este lado muito mais gelado do que o lado sul. Árvores que requerem calor, tempo ensolarado devem ser plantadas no lado sul, onde a luz do sol refletida pela casa pode adicionar aquecimento. O planejamento de uma casa pode ser importante na redução de custos de aquecimento e de resfriamento. Largas janelas devem fazer face para o sul, permitindo que o brilho solar penetre na casa durante o inverno (Hemisfério Norte). Para bloquear o excesso de luz solar durante o verão, uma pequena cortina ou uma aba de telhado deve ser construída. Uma cozinha com janelas viradas para leste permitirão o ingresso da luz matinal para ajudar o aquecimento desta área. Como o lado oeste se aquece rapidamente durante a tarde, quartos tendo pequenas janelas devem ser postos aqui para

agirem como buffers térmicos. Árvores decíduas plantadas no lado oeste de uma casa fornecem sombra no verão. No inverno, elas soltam suas folhas, permitindo que o brilho solar aqueça a casa durante o inverno. Se você gosta do quarto de dormir ligeiramente mais frio do que o resto da casa, faça-o voltado para direção norte (Hemisfério Norte). Permita a ajuda da natureza com o aquecimento e a circulação do ar. O desenho, a orientação e a paisagem da casa podem ajudar a encurtar as demandas por eletricidade, assim como de gás natural e combustíveis fósseis, que estão se esgotando rapidamente. Resumo

Neste capítulo, olhamos para os conceitos de calor e temperatura e aprendemos que calor latente é uma fonte importante de energia térmica da atmosfera. Também aprendemos que a transferência de calor pode ocorrer por condução, convecção e radiação - a transferência de energia por meio de ondas eletromagnéticas. O sol (quente) emite quase sua totalidade de radiação como radiação de ondas curtas. Uma porção desta energia aquece a Terra, que por sua vez aquece o ar acima. A Terra (fria) emite quase que a totalidade de sua radiação como energia infravermelha de ondas longas. Absorvedores seletivos na atmosfera, como o vapor d’água e o dióxido de carbono, absorvem parte da radiação infravermelha da Terra e reirradiam uma porção de volta para a superfície, onde ela aquece a superfície, produzindo o efeito estufa atmosférico. A temperatura média de equilíbrio da Terra e de sua atmosfera permanecem razoavelmente constante de um ano para o outro porque a quantia de energia que elas absorvem a cada ano é igual a quantia de energia que perdem. Finalmente, examinamos as estações do ano e descobrimos que a Terra tem estações porque tem seu eixo de rotação inclinado na medida que gira em torno do sol. A inclinação da Terra causa uma variação sazonal tanto no comprimento do tempo da luz do dia quanto na intensidade da luz solar que alcança a superfície.

Termos Chave

Os termos a seguir foram listados no decorrer do texto. Defina cada um. Isto lhe ajudará na revisão do material coberto neste capítulo. energia cinética térmicas corpos negros temperatura advecção temperatura de equilíbrio radioativo escala Kelvin energia radiante (radiação) absorvedores seletivos escala Fahrenheit ondas eletromagnéticas efeito estufa escala Celsius micrômetro janela atmosférica calor latente fótons espalhamento calor sensível espectro visível albedo condução radiação ultravioleta (UV) aurora convecção radiação infravermelha (IR) solstício de verão e inverno equinócio de outono verão Indígena equinócio de primavera Questões de Revisão 1 - Faça uma distinção entre temperatura e calor. 2 - Explique como o calor é transferido na nossa atmosfera por:

a - condução b - convecção c - radiação

3 - O que calor latente? Por que o calor latente é uma fonte importante de energia na atmosfera? 4 - Por que a escala de temperatura Kelvin é geralmente usado nos cálculos científicos? 5 - Como a quantidade de radiação emitida pela Terra difere da emitida pelo sol? 6 - Como que os comprimentos de onda da maior parte da radiação emitida pelo sol difere daquela

emitida pela superfície da Terra? 7 - Quando um corpo alcança a temperatura de equilíbrio radioativo, o que está acontecendo? 8 - Por que o dióxido de carbono e o vapor d'água são chamados absorvedores seletivos? 9 - Explique como o efeito estufa atmosférico terrestre funciona. 10 - Quais gases parecem ser responsáveis pelo aumento do efeito estufa terrestre? 11 - Por que o albedo da Terra e de sua atmosfera estão por volta de 30 porcento? 12 - Explique porque a atmosfera perto da superfície da Terra é aquecida de baixo para cima. 13 - O que causa a aurora? 14 - No Hemisfério Norte, por que os verões são mais quentes do que os invernos, mesmo estando a

Terra mais próxima do sol durante o inverno? 15 - Quais são os principais fatores que determinam a variação sazonal das temperaturas? 16 - Durante o verão no Hemisfério Norte, as horas do dia nas latitudes mais ao norte são maiores do

que as nas latitudes médias. Explique porque as latitudes mais ao norte não são mais quentes. 17 - Explique porque a vegetação da face voltada para norte de uma colina é freqüentemente diferente

da vegetação na face voltada para sul da mesma colina. Explique para o Hemisfério Sul.

Figura 2.1: Absorção e liberação de energia calorífica.

Figura 2.2: Toda vez que uma nuvem se forma, ela aquece a atmosfera. Dentro da tempestade em desenvolvimento uma grande quantidade de calor armazenado (calor latente) é dada ao ar, enquanto o vapor d’água que é invisível se transforma em bilhões de gotículas de água e de cristais de gelo. Na realidade durante a existência de uma única tempestade, é liberada mais energia dentro da nuvem do que na explosão de uma pequena bomba nuclear.

Figura 2.3: A transferência do calor da parte aquecida do metal até a extremidade fria por contato molecular é denominada condução.

Tabela 2.1: Condutividade térmica de várias substâncias.

Figura 2.4: Desenvolvimento de uma térmica. Uma térmica é uma bolha ascendente de ar que leva energia calorífica para cima por convecção.

Figura 2.5: A radiação pode ser caracterizada de acordo com o seu comprimento de onda.

Figura 2.6: Espectro eletromagnético do sol e alguns dos nomes descritivos de cada região. Os números próximos à curva indicam a porcentagem de energia que o sol irradia nas várias regiões do espectro.

Figura 2.7: O sol mais quente não só irradia mais energia que a terra mais fria, mas também irradia a maior parte da sua energia em comprimentos de onda muito menores.

Figura 2.8: Absorção de radiação pelos gases na atmosfera. A abscissa indica o comprimento de onda em microns e a ordenada representa a absorção em percentagem.

2.9: A luz do sol aquece a superfície da terra apenas durante o dia, enquanto que a superfície emite radiação infravermelha para cima constantemente, durante o dia e à noite. (a) Próximo da superfície, o vapor d’água, o CO2 e outros gases traço absorvem parte dessa energia infravermelha e re-irradia a mesma de volta para o solo – é o que se chama efeito estufa. Este processo gera aquecimento, como numa estufa ou num carro com os vidros fechados, e ajuda a manter a terra a uma temperatura média confortável de cerca de 15 oC à superfície. (b) Sem o vapor d’água, o CO2 e outros gases do efeito estufa, a superfície da terra emitiria energia infravermelha constantemente mas sem receber energia infravermelha de sua baixa atmosfera. Neste caso não haveria o efeito estufa e a superfície da terra seria muito mais fria do que é presentemente.

Figura 2.10: O ar na baixa atmosfera é aquecido de baixo para cima. O sol aquece o solo e o ar acima deste é aquecido por condução, por convecção e por radiação. Em seguida pode ocorrer aquecimento mais acima quando o calor latente é liberado para o ar dentro das nuvens.

Figura 2.11: Um por do sol brilhante e vermelho produzido pelo processo de espalhamento da luz.

Tabela 2.2: Albedo típico de várias superfícies.

Figura 2.12: Em média, da energia solar que alcança a atmosfera terrestre anualmente, cerca de 30 por cento é refletida e espalhada de volta para o espaço considerando a terra e sua atmosfera com um albedo de 30 por cento. Da energia solar que resta, cerca de 19 por cento é absorvida pela atmosfera e pelas nuvens e 51 por cento é absorvida na superfície.

Figura 2.13: Balanço de energia terra-atmosfera. Os números representam aproximações baseadas em observações na superfície e em dados de satélite. Embora o valor real de cada processo possa variar vários pontos percentuais, a sua dimensão relativa é que é importante.

N

Figura 2.14: Aurora austral ou luzes do sul, fotografada entre a Antártida e a Austrália por astronautas de um ônibus espacial. A aurora se forma quando partículas energéticas provenientes do sol interagem com a atmosfera terrestre.

Figura 2.15: A trajetória elíptica (altamente exagerada) da terra em torno do sol deixa a terra ligeiramente mais próxima do sol em janeiro do que em julho.

Figura 2.16: A luz solar que atinge uma superfície com um ângulo agudo é espalhada sobre uma área maior do que quando a luz incide com ângulo reto. Os raios oblíquos do sol fornecem menos energia à superfície (são menos intensos) do que os raios diretos.

Figura 2.17: A terra, ao girar em torno do sol, tem seu eixo inclinado com um ângulo de 23,5 º . O eixo da terra aponta sempre para uma mesma área no espaço (com seria visto de uma estrela distante). Portanto, em junho, quando o hemisfério norte está voltado para o sol, mais luz direta do sol e mais horas de iluminação diurna causa um tempo mais quente do que em dezembro quando o hemisfério norte não está voltado para o sol. (O diagrama logicamente não está em escala).

Figura 2.18: O sol da meia noite. Estas oito fotos do sol foram tiradas no norte da Groenlândia (latitude 78 oN ) em fins do mês de julho entre aproximadamente 11 horas da noite e 1 hora da madrugada.

Figura 2.19: Durante o verão do hemisfério norte, a luz do sol que atinge a superfície terrestre nas latitudes mais ao norte tem que passar através de uma camada da atmosfera que absorve, espalha e reflete luz, mais espessa do que na região tropical. Tabela 2.3: Tamanho do dia desde o amanhecer até o anoitecer para várias latitudes e épocas do ano.

Figura 2.20: Média anual da energia solar absorvida pela terra e pela atmosfera (linha vermelha) e média anual da energia emitida pela terra e pela atmosfera (linha azul).

Figura 2.21: Mudança na posição do sol, como observada nas latitudes médias no hemisfério norte.

Figura 2.22: Em áreas onde pequenas variações na temperatura podem causar grandes variações na umidade do solo, a vegetação é esparsa na face sul da montanha em contraste com a vegetação mais densa na face norte.

Foco especial: O ar ascendente se expande e se resfria enquanto o ar descendente se comprime e se aquece.