“O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA” BALANÇO de ENERGIA

1. “O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA” BALANÇO de ENERGIA

2. 1. Introdução • no item anterior tratamos da energia radiante que era transferida pelaradiação • o resultado liquido de todos os processos radiativos = radiação líquida • radiação liquida = quantidade de energia que está disponível (ser transformada) para outras formas de energia e para o transporte de energia

3. • conversão da energia radiante em calor, ocorre onde ocorre a absorção: na superfície • calor é transportado para longe da superfície (além da radiação IV) por: • convecção: calor transportado pelo escoamento ou circulação do fluido (líquidos, gases) • condução: calor transportado molécula por molécula; nos fluidos comparativamente mais lento que na convecção; (é a única forma de transporte nos sólidos - solo)

4. 2. A Equação de Balanço de Energia na Superfície Q* = QG + QH + QE (W m-2)

5. Q* = QG + QH + QE QG - Fluxo de calor no solo [aquece o solo] QH - Fluxo de calor sensível [aquece o ar] QE - Fluxo de calor latente [evapora a água] Q* - Radiação liquida Q* = (K↓ - K↑) + (L↓ - L↑) Convenção de Sinais: As setas indicam a direção dos fluxos positivos: • Q*: para (na direção da) superfície • QH,QE,QG: para fora da superfície

6. 3. Termos dos Processos do Balanço de Energia • Como na equação do balanço de radiação, • cada termo na equação do balanço de energia • representa um processo de transporte de energia (i) QG – Fluxo de calor no solo = fluxo condutivo • energia que vai aquecer o solo • Depende de: - propriedades térmicas do material - intensidade do gradiente de temperatura no material.

7. (i) QG – Fluxo de calor no solo ks : condutividade térmica do solo

8. (ii) QH – Fluxo de Calor Sensível = (condução + turbulência/convecção) fluxo convectivo • energia que vai aquecer o ar • Convecção ocorre quando existe circulação (ou movimento) vertical e mistura na atmosfera: • Nessa circulações o ar em contato com a superfície ganha calor por condução e se expande. • Quando ele se expande ele se torna mais leve e começa a subir (flutuando como “bolha”). • Quando o ar sobe ele se mistura com ar mais frio e troca seu calor. • O ar que sobe é reposto por ar mais frio que desce lentamente de cima, e o processo reinicia novamente

9. condução + turbulência/convecção

10. condução + turbulência/convecção • Depende do: • estado da turbulência atmosférica (movimentos irregular de ar, em pequena escala, caracterizado por ventos que variam em direção e velocidade) • intensidade do gradiente vertical de temperatura

11. (iii) QE – Fluxo de Calor Latente = (evaporação+ turbulência/convecção) fluxo convectivo • energia que é usada para evaporar a água • Troca de energia entre a superfície e a atmosfera através da mudança de fase da água • Depende de: • estado da turbulência atmosférica • intensidade do gradiente vertical de umidade

12. • Sem movimento vertical: • o ar imediatamente acima da superfície rapidamente se torna saturado com o vapor d’água. • Nesse ponto o ar não aceita mais vapor da superfície e não acontece mais a troca de energia • A troca de calor latente é maior quando o ar próximo à superfície é continuamente reposto pelo ar mais seco acima da superfície (i.e. sob condições turbulentas e de ventos fortes).

13. 4. Calor Latente de Vaporização (Lv) Lv:= quantidade de energia (por massa) necessária para mudar a fase de uma substância de liquido para gás • Depende do tipo e da temperatura da substância

14. Mudanças de Fase: • Mudanças da água da: fase solida ⇒liquida ⇒gasosa requer sucessivamente maiores entradas de energia para “quebrar” as ligações entre as moléculas de água • Mudanças da: fase gasosa ⇒liquida ⇒solida envolve liberação de energia A energia excedente na superfície pode ser usada para: • derreter o gelo, evaporar água liquida ou sublimar o gelo.

15. Mudanças de Fase: Fusão: energia permanece na superfície mas é absorvida na conversão do gelo para a água liquida ⇒ não ocorre mudança de temperatura. • Vaporização e sublimação: energia é armazenada como calor latente no vapor d’água, que pode ser transportado na atmosfera

16. Mudanças de Fase: • Assim, evaporação representa tanto • uma transferência de calor quanto de massa • entre a atmosfera e a superfície. • QE ⇔ρv E ⇒QE = ρv E LV • Fluxo de Calor Latente ⇔Fluxo de Vapor • • Ligação entre balanço de energia e de massa (água)

17. Balanço Global de Energia

18. 5. Balanço de Água • MASSA, assim como ENERGIA, é conservada p = E + Δr + ΔS [mm/h(≡ 10-3m/h)] p – precipitação (chuva, neve, etc.) E – evapo-transpiração (Energia equivalente é QE) Δr – escoamento liquido (por exemplo, rios) ΔS – mudança líquida de armazenamento (por exemplo, umidade no solo, mudança no nivel de um lago)

19. Resumo: Equação do Balanço de Energia: Q* = QG + QH + QE Equação de Balanço da Água: p = Δr + ΔS + E

20. Ciclo Global da Água • Excesso de Evaporação sobre os oceanos • Excesso de Condensação/Precipitação sobre os continentes

21. 6. A Razão de Bowen (β) β:= Razão entre os fluxos convectivos de calor sensível QH e de calor latente QE Indica a partição de energia: - para aquecer o ar - para evaporar a água (consumir água líquida)

22. Razão de Bowen • QH > QE β> 1 superfície seca por exemplo deserto β ≈ 10 área urbana β ≈ 2 • A energia vai mais para aquecer o ar do que evaporar a água • Locais quentes e secos • QH < QE β < 1 superficies umidas Agricultura (irrigada) β ≈ 0.25 Floresta (não irrigada) β ≈ 0.8 • A energia vai mais para evaporar a água pois ela está disponível • A temperatura do ar não é tão quente como ela deveria ser se a superficie fosse seca.