o aquecimento da atmosfera balanÇo de energia. no item anterior tratamos da energia radiante que...
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““O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA”O AQUECIMENTO DA ATMOSFERA”
BALANÇO de ENERGIABALANÇO de ENERGIA
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• 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
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• 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)
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2. A Equação de Balanço de Energia na Superfície
Q* = QG + QH + QE (W m-2)
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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
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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.
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(i) QG – Fluxo de calor no solo
ks : condutividade térmica do solo
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(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
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condução + turbulência/convecção
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• 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
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(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
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• 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).
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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
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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.
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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:
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•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:
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Balanço Global de Energia
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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)
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Equação do Balanço de Energia:
Q* = QG + QH + QE
Equação de Balanço da Água:
p = Δr + ΔS + E
Resumo:
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Ciclo Global da Água
• Excesso de Evaporação sobre os oceanos• Excesso de Condensação/Precipitação
sobre os continentes
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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)
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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.