“O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA” BALANÇO de ENERGIA 1

1. Introdução • no item anterior tratamos da energia radiante que era transferida pela radiação • 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 2

(é a única forma de transporte nos sólidos - solo) • 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) 3

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

QG - Fluxo de calor no solo [aquece o solo] 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 5

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. 6

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

= (condução + turbulência/convecção) fluxo convectivo (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 8

condução + turbulência/convecção 9

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 10

= (evaporação+ turbulência/convecção) fluxo convectivo (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 11

• A troca de calor latente é maior • 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). 12

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 13

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. 14

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 15

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) 16

Balanço Global de Energia 17

5. Balanço de Água p = E + Δr + ΔS • MASSA, assim como ENERGIA, é conservada p = E + Δr + ΔS [mm/h (≡ 10-3 m/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) 18

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

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

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) 21

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. 22