““O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA”O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA”

BALANÇO de ENERGIABALANÇO de ENERGIA

• 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

1. Introdução

• 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 transportadomolécula por molécula;

nos fluidos comparativamente mais lento que na convecção;

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

2. A Equação de Balanço de Energia na Superfície

Q* = QG + QH + QE (W m-2)

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

Q* = QG + QH + QE

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.

(i) QG – Fluxo de calor no solo

ks : condutividade térmica do solo

(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

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

condução + turbulência/convecção

(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

• 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).

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

Mudanças de Fase:

• Mudanças da água da: fase solida ⇒liquida ⇒ gasosarequer 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.

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

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)

Mudanças de Fase:

Balanço Global de Energia

5. Balanço de Água• 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)

Equação do Balanço de Energia:

Q* = QG + QH + QE

Equação de Balanço da Água:

p = Δr + ΔS + E

Resumo:

Ciclo Global da Água

• Excesso de Evaporação sobre os oceanos• Excesso de Condensação/Precipitação

sobre os continentes

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)

Razão de Bowen• QH > QE β > 1 superfície seca

por exemplo deserto β ≈ 10área 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 ≈ 0.25Floresta (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.