ACA0115 - INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS RICARDO DE CAMARGO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS – IAG/USP PARTE 2 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES.

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1 ACA0115 - INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS RICARDO DE CAMARGO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS – IAG/USP PARTE 2 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES SISTEMA SOLAR, SOL E A TERRA RADIAÇÃO SOLAR RADIAÇÃO TERRESTRE EFEITO ESTUFA TEMPERATURA DE EQUILÍBRIO

2 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES  Esse sistema é conhecido como SI (iniciais de Sistema Internacional).  XI Conferência Geral de Pesos e Medidas (realizada em Paris, 1960).  Baseado no sistema MKS (metro-quilograma-segundo).

3 UNIDADES FUNDAMENTAIS DO SI  Distância: metro (m)  Massa: quilograma (kg),  Tempo: segundo (s)  Temperatura: Kelvin (K)  Corrente elétrica: ampére (A)  Número de partículas: mol (mol)  Intensidade de luz: candela (cd)  Ângulo: radiano (rad)  Ângulo sólido: esferorradiano (sr).

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

5 UNIDADES DERIVADAS Fonte: Meteorology Today Derivadas

6 UNIDADES EM METEOROLOGIA Fonte: Meteorology Today

7 UNIDADES EM METEOROLOGIA Fonte: Meteorology Today

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

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

10 ATMOSFERA É MUITO FINA Espessura da atmosfera Fonte: NASA

11 SISTEMA SOLAR  O universo contém bilhões de galáxias, que por sua vez, contêm bilhões de estrelas.  As estrelas são esferas constituídas de gases em temperaturas altíssimas, cuja energia provém da fusão nuclear onde hidrogênio é convertido em hélio e uma grande quantidade de energia é produzida.

12 SOL  O Sol é uma estrela de classe G, de grandeza média situada em uma das extremidades de Via Láctea.

13 SISTEMA SOLAR E TERRA  Orbitando o Sol temos 8 planetas, asteroides e cometas, compondo o sistema solar. Fonte: NASA

14 CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA SOLAR Fonte: Meteorology Today

15 ← Superfície de Titan, satélite de Saturno: temp: -180 o C Superfície de Vênus: temp +480 o C

16 PARTE 2 16 Superfície de Marte: temp. -5 o C

17 Zoom na atmosfera de Júpiter  Júpiter: Sua temperatura varia entre 35000 o K no núcleo até - 165 o C nas camadas mais externas.

18 Europa, satélite de Júpiter:Zoom de Europa

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

20 CALORIA  Caloria (cal), definida como a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de 1 grama (g) de água, a 1 atmosfera (atm), de 15 °C até 16 °C.  1 cal = 4,1855 J.  1 atm = 1013,24 mb = 1013,24 hecto Pascal (hPa)  Pressão atmosférica no nível médio do mar.

21 NOTAÇÃO CIENTÍFICA

22 SOL E A TERRA A Terra está cerca de 150 milhões de quilômetros (km) do Sol e, por isso, intercepta somente uma pequena fração da sua energia. Notação científica ou

23 RADIAÇÃO  A energia se propaga através do espaço na forma de ondas eletromagnéticas.  Esta forma de propagação de energia é chamada de radiação.  A radiação proveniente do Sol é denominada de radiação solar.  A radiação solar é a fonte de energia responsável pelos movimentos atmosféricos, ventos, determinando os padrões de tempo meteorológico e de clima.

24 PAPEL DA RADIAÇÃO SOLAR  A radiação solar mantém a temperatura média da superfície da Terra em torno de 15 o C (59 o F).  A Terra experimenta um intervalo grande de variação de temperaturas  Antártida –89 o C (-124 o F) em Vostok  Deserto subtropical de 50 o C (122 º F). Recorde foi em Tripoli, Libia: 58 º C!  Recorde de variação em um mesmo dia: -5 o C para 47 o C

25 GRAUS CELSIUS E FAHRENHEIT Celsius em Kelvin Fahrenheit em Celsius Fonte: Meteorology Today

26 TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE Fonte: NASA Abril de 2003

27 TEMPERATURA MÉDIA T 1, T 2...T N são os valores de temperatura nas estações meteorológicas espalhadas no planeta. N = número de estações meteorológicas.

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

29 FLUXO DE ENERGIA A radiação solar é definida como a quantidade de energia por unidade de área e unidade de tempo, ou fluxo de energia solar. Unidade J.s -1.m -2 ou W.m -2

30 EXERCÍCIO EM CLASSE  Qual é o montante de energia que atinge a Terra em Watts por segundo, sendo o raio da Terra de ~ 6500 km.

31 INSTANTE INICIAL T = T 0 E( t 0 ) = 0  E Área A Energia

32 INSTANTE FINAL T = T 0 +  T Área A  E E( t 0 +  t) =  E Energia

33 FLUXO DE ENERGIA  E = quantidade de energia  t = intervalo de tempo S = Fluxo de energia

34 VARIAÇÃO ESPACIAL DO FLUXO DE ENERGIA EMITIDA PELO SOL Fonte: Meteorology Today Sol

35 FLUXO DE ENERGIA ATRAVÉS DAS ÁREAS A 1 E A 2 Área A 1 Área A2

36 QUANTIDADE DE ENERGIA (  E) POR INTERVALO DE TEMPO (  T) Atravessa a área A 1 Atravessa a área A 2

37 DADO QUE QUANTIDADE DE ENERGIA (  E) POR INTERVALO DE TEMPO (  T) É CONSTANTE, ENTÃO:

38 SE A QUANTIDADE DE ENERGIA (  E) POR INTERVALO DE TEMPO (  T) NÃO VARIA, ENTÃO O FLUXO DE ENERGIA (S) DIMINUI QUANDO A ÁREA AUMENTA.

39 RADIAÇÃO SOLAR INCIDENTE ESFERA QUE ENVOLVE O SOL r s = raio da esfera que envolve a superfície do Sol. S 0 = fluxo de radiação solar na superfície do Sol.

40 PRINCÍPIO DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA  A quantidade de energia, por unidade tempo, emitida pelo Sol e que passa através da esfera que envolva o Sol é igual a quantidade de energia, por unidade de tempo, que passa através de qualquer outra esfera que envolva o Sol.

41 ÁREA DA ESFERA DE RAIO R r A = 4  r 2

42 APLICAÇÃO DO PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA  Se não existe nenhum sorvedouro de energia no espaço entre a Terra e o Sol, então a quantidade total de energia (por unidade de tempo) que sai do sol através da sua superfície é igual a quantidade de energia (por unidade de tempo) que chega superfície que envolve o sol e intercepta a Terra:

43 O FLUXO DE RADIAÇÃO SOLAR DIMINUI COM O QUADRADO DA DISTÂNCIA AO SOL S(r) = fluxo de radiação solar a uma distância r do Sol

44 EXERCÍCIO 1 1. Calcule o fluxo de radiação na superfície do Sol considerando o fluxo de radiação solar na Terra é igual a 1366 W m -2 e a distância Sol-Terra igual a 150 milhões de quilômetros.

45 A INTENSIDADE DA RADIAÇÃO SOLAR CHEGA NA TERRA Observações: S = 1366 W m -2 d = distância Sol -Terra. d = raio da esfera com o Sol no centro e interceptando a Terra.

46 QUANTIDADE DE ENERGIA SOLAR INTERCEPTADA PELA TERRA POR UNIDADE DE TEMPO.

47 TAXA DE VARIAÇÃO TEMPORAL DE ENERGIA SOLAR NA TERRA

48 TAXA DE VARIAÇÃO TEMPORAL DE ENERGIA SOLAR EM QUALQUER PLANETA r s = raio da esfera que envolve a superfície do Sol. S 0 = fluxo de radiação solar na superfície do Sol. r = raio da esfera com o Sol no centro e interceptando a planeta. r P = raio do planeta.

49 Fonte: Meteorology Today EFEITO DA DISTÂNCIA AO SOL NA TEMPERATURA MÉDIA DA SUPERFÍCIE DO PLANETA

50 ALBEDO PLANETÁRIO Quanto maior o albedo de um planeta maior é a quantidade de energia refletida e menor a temperatura média do planeta.

51 ALBEDO Fonte: Meteorology Today

52 ALBEDO DA TERRA 30% da energia solar incidente sobre a Terra é refletida de volta para o espaço. 70% é absorvida.

53 ENERGIA SOLAR ABSORVIDA PELA TERRA Energia solar refletida pela Terra

54 TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE DA TERRA É CONSTANTE?  Observações indicam que a temperatura média da superfície da Terra tem permanecido relativamente constante nós últimos 1000 anos.  Exceção: pequena Idade do Gelo entre os séculos XV e XVIII.

55 DESVIO DE TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE DA TERRA Média anual Média 1961 a 1990

56 EVOLUÇÃO DA TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE NOS ÚLTIMOS 1000 ANOS NO HEMISFÉRIO NORTE Fonte: IPCC

57 TERRA ESTÁ EM EQUILÍBRIO A quantidade de energia solar absorvida é igual a quantidade de energia emitida na forma de radiação infravermelho. Fonte: Meteorology Today

58 EQUILÍBRIO RADIATIVO Absorvido Radiação Solar T~5800K Emitido Infravermelho T~300K

59 RADIAÇÃO TERRESTRE R IV é o fluxo de radiação infravermelha emitida pela Terra.

60 IGUALANDO A RADIAÇÃO ABSORVIDA E EMITIDA PELA TERRA

61 ESTIMATIVA DA RADIAÇÃO TERRESTRE

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

63 LEI DE STEFAN-BOLTZMAN Permite, também, estimar a temperatura equivalente de emissão de corpo negro que qualquer objeto, incluindo-se a Terra e o Sol. Permite estimar o fluxo de radiação emitido de corpo negro de qualquer objeto, incluindo-se a Terra e o Sol, a partir apenas da sua temperatura.

64 EMISSÃO SOLAR DE CORPO NEGRO T SOL = 5800 K Exercício 1

65 TEMPERATURA DE EQUILÍBRIO Observado

66 EFEITO ESTUFA CAUSADO PELA ATMOSFERA Fonte: Meteorology Today Sem atmosfera Com atmosfera

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

68 AQUECIMENTO GLOBAL Aumento da temperatura da superfície da Terra observada nos últimos 80 anos. ~ 0,6 o C Este aumento está relacionado ao aumento na concentração de gases causadores do efeito estufa.

69 EVOLUÇÃO TEMPORAL DA TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE NOS ÚLTIMOS 140 ANOS ~ 0,6 o C ~ 80 anos Fonte: ÌPCC

70 INDICADORES DO EFEITO ANTROPOGÊNICO Revolução industrial Fonte: IPCC

71 PAINEL INTERGOVERNAMENTAL SOBRE MUDANÇAS CLIMÁTICAS http://www.ipcc.ch/calendar.htm  Reconhecendo o problema da potencial mudança climática global, a Organização Meteorológica Mundial (OMM) e o Programa Ambiental das Nações Unidas (UNEP) estabeleteram o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) 1988. É aberto para todos os membros das ONU e da OMM.  Relatório 2001: Anterior.  Relatório 2007: Atual.

72 INDICADORES ANTROPOGÊNICOS Fonte: ÌPCC

73 NIVEL DO MAR Fonte: ÌPCC

74 EXERCÍCIO 2 2 Calcule a temperatura de equilíbrio do planeta Marte considerando: a) radiação solar na Terra é igual a 1366 W m -2 ; b) distância Sol-Terra igual a 150 milhões de quilômetros; c) Distância Sol-Marte igual a 228 milhões de quilômetros; d) Albedo de Marte igual a 0,17.