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Medição de Irradiâncias Meteorologia Física II 17/03/2014.

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1 Medição de Irradiâncias Meteorologia Física II 17/03/2014

2 Objetivos Estudo da transformação de energia no sistema Terra-atmosfera e sua variação espaço-temporal Estudo da transformação de energia no sistema Terra-atmosfera e sua variação espaço-temporal Avaliação do balanço de radiação na superfície e ao longo da atmosfera Avaliação do balanço de radiação na superfície e ao longo da atmosfera Balanço de energia à superfície Balanço de energia à superfície

3 Objetivos Análise das propriedades e distribuição de constituintes da atmosfera Análise das propriedades e distribuição de constituintes da atmosfera Verificação de medições de radiação realizadas a bordo de satélites artificiais e seus algoritmos Verificação de medições de radiação realizadas a bordo de satélites artificiais e seus algoritmos

4 Principais grandezas medidas Espectro solar (~0,3 a 4,0 μm) : Espectro solar (~0,3 a 4,0 μm) : –Irradiância solar global incidente sobre uma superfície plana horizontal –O termo global indica que a radiação provém de todo hemisfério

5 Radiação solar Dois componentes: Dois componentes: –Direta: transmissão decresce com o aumento do ângulo zenital solar (aumento do caminho óptico) o aumento do ângulo zenital solar (aumento do caminho óptico) Aumento da concentração dos constituintes atmosféricos opticamente ativos (partículas de aerossol, gases, nuvens, cristais de gelo) Aumento da concentração dos constituintes atmosféricos opticamente ativos (partículas de aerossol, gases, nuvens, cristais de gelo) => aumento de atenuação!

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10 Radiação solar Dois componentes: Dois componentes: –Difusa: proveniente de todo o céu É resultante do espalhamento de radiação solar pelas moléculas de gases, partículas de aerossol, nuvens É resultante do espalhamento de radiação solar pelas moléculas de gases, partículas de aerossol, nuvens Exclui-se a região do disco solar Exclui-se a região do disco solar Inclui-se contribuição da reflexão da superfície que é novamente espalhada pela atmosfera ou por outra superfícies vizinhas Inclui-se contribuição da reflexão da superfície que é novamente espalhada pela atmosfera ou por outra superfícies vizinhas

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12 Como veremos no capítulo 5, a distribuição espectral dos dois componentes é diferente Como veremos no capítulo 5, a distribuição espectral dos dois componentes é diferente A radiação difusa é mais rica de radiação com comprimento de onda mais curto que a direta. A radiação difusa é mais rica de radiação com comprimento de onda mais curto que a direta.

13 Irradiância solar global: Irradiância solar global: Є g = Є s + Є d(4.1) Єs = Є o t D (4.2) Onde t D é a transmitância direta (fração do feixe incidente que não sofreu interação ao atravessar a atmosfera)

14 Para radiação monocromática: t D (λ) = exp(-τ(λ)/cosθ o )(4.3) τ(λ): profundidade óptica de extinção da atmosfera θ o : distância zenital solar

15 Espectro terrestre ( ~4 a 100 μm) Em geral: irradiância isotrópica e difusa Em geral: irradiância isotrópica e difusa Emitida por todo o sistema Terra- atmosfera Emitida por todo o sistema Terra- atmosfera Medem-se, em particular: Medem-se, em particular: –Irradiância emitida pela superfície –Irradiância emitida pela atmosfera

16 Radiação Total Soma da radiação solar com a radiação terrestre Soma da radiação solar com a radiação terrestre Cobre todo o intervalo espectral desde 0,3 a 100 μm Cobre todo o intervalo espectral desde 0,3 a 100 μm

17 Medidas em bandas espectrais estreitas Uso de filtros especiais Uso de filtros especiais Utilizadas para determinar a concentração de constituintes da atmosfera Utilizadas para determinar a concentração de constituintes da atmosfera Exemplos: ozônio no UV, partículas de aerossol no visível, vapor dágua no NIR Exemplos: ozônio no UV, partículas de aerossol no visível, vapor dágua no NIR

18 Medidas direcionais em ângulos sólidos pequenos Obtenção de radiâncias em diferentes orientações Obtenção de radiâncias em diferentes orientações Estudo do espalhamento de radiação pelos constituintes atmosféricos e reflexão pela superfície Estudo do espalhamento de radiação pelos constituintes atmosféricos e reflexão pela superfície

19 Superfície Lambertianas – reflexão isotrópica Lambertianas – reflexão isotrópica Não lambertianas – depende da geometria Não lambertianas – depende da geometria

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21 Instrumentos Convencionais

22 Denominação geral: Radiômetros Denominação geral: Radiômetros Outras: Outras: –Fotômetro –Pireliômetro –Piranômetro –Pirgeômetro

23 Cuidados experimentais Nivelamento Nivelamento Alinhamento Alinhamento Desobstrução do campo de visão Desobstrução do campo de visão Degradação dos sensores (sujeira, umidade): Degradação dos sensores (sujeira, umidade): - Calibração - Limpeza dos sensores

24 Pireliômetro Radiação solar direta em incidência normal Radiação solar direta em incidência normal Instrumento com campo de visão estreito (colimador, com abertura entre 5 a 8 o ), montado em um sistema automático que acompanha o movimento do sol Instrumento com campo de visão estreito (colimador, com abertura entre 5 a 8 o ), montado em um sistema automático que acompanha o movimento do sol Detetores: calorímetros ou termopilhas Detetores: calorímetros ou termopilhas

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26 Piranômetro Irradiância solar global proveniente de todo um hemisfério Irradiância solar global proveniente de todo um hemisfério A superfície deve ser perfeitamente plana e horizontal A superfície deve ser perfeitamente plana e horizontal Detetores: calorímetros, termopilhas ou fotodiodos (sensores do tipo fotovoltaicos) Detetores: calorímetros, termopilhas ou fotodiodos (sensores do tipo fotovoltaicos)

27 Domos de vidro: proteção e filtragem de radiação (< 2,8 m)

28 Actinógrafo bimetálico Totalmente mecânico Totalmente mecânico Uma lâmina bimetálica negra, exposta à radiação solar e duas outras brancas mantidas à sombra Uma lâmina bimetálica negra, exposta à radiação solar e duas outras brancas mantidas à sombra - Negra: deforma-se por variação de temperatura e absorção de radiação solar - Negra: deforma-se por variação de temperatura e absorção de radiação solar - Brancas: deformam-se apenas por variação de temperatura - Brancas: deformam-se apenas por variação de temperatura - acoplamento mecânico para compensar efeito térmico da lâmina negra - acoplamento mecânico para compensar efeito térmico da lâmina negra - deformação resultante = efeito da radiação, é transmitida a uma pena registradora - deformação resultante = efeito da radiação, é transmitida a uma pena registradora

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30 Piranômetro Com o auxílio de um sistema de sombreamento, pode-se medir a irradiância solar difusa Com o auxílio de um sistema de sombreamento, pode-se medir a irradiância solar difusa Em geral utiliza-se faixa de metal curva, cuja inclinação é ajustada para acompanhar o movimento aparente do sol na abóbada celeste Em geral utiliza-se faixa de metal curva, cuja inclinação é ajustada para acompanhar o movimento aparente do sol na abóbada celeste

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33 Regiões espectrais específicas UV-A e UV-B UV-A e UV-B PAR (radiação fotossinteticamente ativa) ou visível PAR (radiação fotossinteticamente ativa) ou visível

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35 Espectrais Multifilter Rotating Shadowband Radiometer (MFRSR) – medidas em determinados intervalos espectrais (centrados em 415, 500, 615, 673, 870 e 940 nm) de irradiância global e difusa Multifilter Rotating Shadowband Radiometer (MFRSR) – medidas em determinados intervalos espectrais (centrados em 415, 500, 615, 673, 870 e 940 nm) de irradiância global e difusa Aerossol Aerossol 415 e 500 nm: ozônio 415 e 500 nm: ozônio 940 nm: vapor dágua 940 nm: vapor dágua

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37 Espectrais e direcionais Radiômetro solar/celeste: Radiômetro solar/celeste: - irradiância espectral solar direta em incidência normal – fotômetro solar - irradiância espectral solar direta em incidência normal – fotômetro solar - irradiância espectral solar difusa celeste proveniente de diversas direções da abóbada celeste - irradiância espectral solar difusa celeste proveniente de diversas direções da abóbada celeste bandas espectrais: 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 e 1020 nm bandas espectrais: 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 e 1020 nm

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39 Pirgeômetro Irradiância de onda longa proveniente de todo um hemisfério Irradiância de onda longa proveniente de todo um hemisfério Em geral possui um domo de silicio para filtrar radiação solar Em geral possui um domo de silicio para filtrar radiação solar Detetores: termopilhas Detetores: termopilhas

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41 Exemplo – ciclo diurno

42 Aplicações Irradiância solar incidente e a refletida Irradiância solar incidente e a refletida refletância da superfície Irradiância solar incidente, refletida, irradiâncias descendente e ascendente onda longa Irradiância solar incidente, refletida, irradiâncias descendente e ascendente onda longa balanço de radiação à superfície (ou saldo de radiação)

43 Pirradiômetro Medidas do saldo de radiação total (onda curta mais onda longa) em um hemisfério Medidas do saldo de radiação total (onda curta mais onda longa) em um hemisfério Quando composto por sensores apontados para cima e para baixo – net pirradiômetros Quando composto por sensores apontados para cima e para baixo – net pirradiômetros Detetores: termopilhas Detetores: termopilhas

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45 Heliógrafo Medida de insolação: intervalo de tempo em que o disco solar permanece visível, entre o nascimento e o ocaso do Sol. Medida de insolação: intervalo de tempo em que o disco solar permanece visível, entre o nascimento e o ocaso do Sol. Esfera de vidro focaliza os raios solares em uma tira de papel especial (heliograma), onde há uma escala de tempo impressa Esfera de vidro focaliza os raios solares em uma tira de papel especial (heliograma), onde há uma escala de tempo impressa Raios focalizados queimam o heliograma Raios focalizados queimam o heliograma

46 Heliógrafo de Campbell-Stokes

47 Terra Características de alguns sensores a bordo do satélite Características de alguns sensores a bordo do satélite (http://terra.nasa.gov) (http://terra.nasa.gov)

48 CERES – Clouds and the Earths Radiant Energy System Bolômetro termistor de varredura em banda larga Bolômetro termistor de varredura em banda larga Bandas espectrais: Bandas espectrais: - onda curta: 0,3-5,0 m – radiação solar refletida - onda longa: 8-12 m – radiação térmica emitida pela Terra na janela atmosférica - total: 0,3 a >200 m – radiação total

49 Calibração on-board com o auxílio de um difusor de radiação solar, uma lâmpada de Tungstênio e um par de cavidades de corpo negro que podem ser controladas para diferentes temperaturas Calibração on-board com o auxílio de um difusor de radiação solar, uma lâmpada de Tungstênio e um par de cavidades de corpo negro que podem ser controladas para diferentes temperaturas

50 MISR – Multi-angle Imaging Spectro-Radiometer Radiômetro espectral com câmeras CCD para medir radiâncias em 9 ângulos diferentes Radiômetro espectral com câmeras CCD para medir radiâncias em 9 ângulos diferentes Bandas espectrais: 446, 558, 672 e 866 nm Bandas espectrais: 446, 558, 672 e 866 nm Monitoramento da concentração e tipo de partículas de aerossol Monitoramento da concentração e tipo de partículas de aerossol Quantidade, tipos e alturas de nuvens Quantidade, tipos e alturas de nuvens Distribuição da cobertura da superfície da terra Distribuição da cobertura da superfície da terra

51 MODIS – MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer Radiômetro (fotodiodos) de varredura com filtros espectrais de interferência Radiômetro (fotodiodos) de varredura com filtros espectrais de interferência Intervalo espectral: 0,4 a 14,4 m Intervalo espectral: 0,4 a 14,4 m Determinar: Determinar: - temperatura da superfície (continente e oceano) e detecção de pixels de fogo; - cor dos oceanos; - mapas globais de vegetação - características de nuvens - concentração das partículas de aerossol e suas propriedades

52 MOPITT – Measurements Of Pollution In The Troposphere Radiômetro de varredura – radiação infravermelha em três bandas de absorção do CO e do CH 4 Radiômetro de varredura – radiação infravermelha em três bandas de absorção do CO e do CH 4 Bandas espectrais: 2,3 (CH 4 ), 2,4 (CO) e 4,7 m (CO) Bandas espectrais: 2,3 (CH 4 ), 2,4 (CO) e 4,7 m (CO) Calibração é realizada no próprio satélite com uma cavidade de corpo negro de alta temperatura Calibração é realizada no próprio satélite com uma cavidade de corpo negro de alta temperatura

53 Meteorologia Meteorologia Controle de poluentes atmosféricos Controle de poluentes atmosféricos superfícies – mudança de solo, focos de queimadas, produtividade agrícola, áreas alagadas, reservas naturais superfícies – mudança de solo, focos de queimadas, produtividade agrícola, áreas alagadas, reservas naturais Sensoriamento remoto

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