radiação solar prof. dr. emerson galvani laboratório de climatologia e biogeografia – lcb...
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Radiação Solar
Prof. Dr. Emerson Galvani
Laboratório de Climatologia e Biogeografia – LCB
Universidade de São PauloDepartamento de Geografia
Disciplina: Climatologia I
Na aula anterior verificamos que é a inclinação do equador
terrestre em relação ao plano que contém o equador do sol,
que resulta em diferentes quantidades de energia na
superfície terrestre e, conseqüentemente as diferentes
estações do ano.
O calor é transferido mediante convecção, radiação ou condução
O calor é transferido mediante convecção, radiação ou condução
Recordando....
O Sol é uma estrela gasosa luminosa: - raio médio de 696.000 km (100 x terra), - superfície de 6,08*1012 km², - temperatura de 6.000°C (superfície), - emite energia em ondas eletromagnéticas que se propagam radialmente no espaço;- essas ondas viajam no espaço (vácuo) a 300.000 km/s (velocidade da luz);- 8,3 minutos é o tempo para chegar à superfície terrestre.
Quem é o SOL??
Fonte: http://www.nasa.gov/
Imagem do sol
É possível observar áreas com maior atividade denominadas de manchas solares.
NÚMERO DE MANCHAS SOLARES ENTRE 1750 E 2000NÚMERO DE MANCHAS SOLARES ENTRE 1750 E 2000
MIN MIN
MINMIN
MAXMAX
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ANOSANOS
NÚ
MER
O D
E M
AN
CH
AS
NÚ
MER
O D
E M
AN
CH
AS
Fonte: Molion, 2007
Espectro eletromagnético totalEspectro eletromagnético total
Fonte: Assunção, 2006
Fonte: Assunção, 2006
Espectro da Radiação Solar – Espectro da Radiação Solar – Destaque para o VisívelDestaque para o Visível
Ultra-VioletaOnda curta
Ultra-VioletaOnda curta
Infra-VermelhoOnda Longa
Infra-VermelhoOnda Longa
Faixa do espectro que enxergamos
Faixa do espectro que enxergamos
Espectro da Radiação Solar
1 m = 103 milímetro – mm (0,001m)
1 m = 106 micrômetro - μm (0,000001m)
1 m = 109 namômetro - ηm (0,000000001m)
1 m = 1012 picômetro - ρm (0,000000000001m)
Espectro da Radiação Solar
A maior parte da energia radiante do sol está concentrada nas partes visível e próximo do visível do espectro. A luz visível corresponde a ~43% do total irradiado, 49% estão no infravermelho próximo e 7% no ultravioleta.
SOL
Terra
Sem escala
Distância Média de 150 milhões de km
Raios Solares
Conceitos que envolvem a radiação solar
Radiação solar (onda curta):
* Radiação solar direta (Rd): Fração da radiação solar que atravessa a atmosfera (sem interagir) e atinge a superfície;
* Radiação solar Difusa (RDif): Fração da radiação solar que atravessa a atmosfera sendo difundida pelos constituintes atmosféricos (altera a direção);
* Radiação solar Global (Rglo): é a somatória da Radiação solar direta mais a difusa (Rglo= Rd + RDif);
Conceitos que envolvem a radiação solar
Radiação solar (onda curta):
* Radiação solar Refletida (Rref): é a fração da radiação solar global que é refletida pela superfície (depende da cor da superfície);
* Saldo radiação de onda curta (SRoc): é a diferença entre a Radiação global e a radiação solar refletida (SRoc=Rglo-Ref) (ocorre somente nos períodos de brilho solar).
Conceitos que envolvem a radiação infravermelha – IR - (onda longa, calor)
Após a radiação solar (onda curta) ser absorvida pela superfície é transformada em calor. Todo corpo acima de zero grau absoluto (-273 oC) emite energia.
* Emissividade Terrestre (Eter): É quantidade de radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre (depende da temperatura da superfície);
Conceitos que envolvem a radiação infravermelha – IR - (onda longa, calor)
* Emissividade atmosférica (Eatm): É quantidade de radiação infravermelha emitida pela atmosfera terrestre (depende da temperatura da atmosfera). Por ex: a temperatura do topo da troposfera é de, aproximadamente, -50 oC, portanto emite radiação infravermelha proporcional a essa temperatura.
*Saldo de radiação (IR) de onda longa (SRol): É a diferença entre a Eatm subtraída da Eter. (ocorre 24h do dia).
Saldo total de Radiação (SR)
Saldo total de Radiação (SR): É a diferença entre o saldo total de onda curta (Sroc) e o saldo total de onda longa (SRol). É a quantidade de energia disponível aos processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem na superfície terrestre (aquecimento do ar e do solo, evaporação, transpiração, fotossíntese, etc.)
SR = SRoc – SRol
SR = (Rglo – Rref) – (Eatm – Eter)
Ondas Curtas Ondas Longas
6 + 20 + 4 + 16 + 3 = 49 + 51 = 100 38 + 26 + 21 +15 = 100
O Albedo da superfície ou coeficiente de reflexão da superfície é uma característica que depende, principalmente, da sua cor. O valor do albedo varia com as características ópticas da superfície; água (r = 5%) e florestas (r = 10 a 15%) tem um albedo baixo, enquanto que as culturas e florestas tem albedo mais elevado (r 20%). Neve e areia tem os maiores albedos (entre 40 e 90%) - veja na figura as áreas de desertos e as geleiras.
Albedo global
Albedo global
Solo descobertoSolo descoberto 10-2510-25
Areia, desertoAreia, deserto 25-4025-40
GramaGrama 15-2515-25
FlorestaFloresta 10-1510-15
Neve (limpa, seca)Neve (limpa, seca) 75-9575-95
Neve (molhada e/ou suja)Neve (molhada e/ou suja) 25-7525-75
Superfície do mar (sol > Superfície do mar (sol > 25° acima do horizonte)25° acima do horizonte) Menor que 10Menor que 10
Superfície do mar Superfície do mar (pequena altura do sol)(pequena altura do sol) 10-7010-70
Nuvens espessasNuvens espessas 70-8070-80
Nuvens finasNuvens finas 25-5025-50
Albedo Médio de Algumas superfícies (porcentagem)
Observação: quando maior o albedo da superfície menos radiação solar absorve, portanto, aquece menos.
Equipamentos de medidas de Radiação Solar
Heliógrafo: Quantifica e registra o número de horas de brilho solar (n);
Fonte: Varejão-Silva, 2005Fonte: www.inmet.gov.br
Fita Heliográfica
Equipamentos de medidas de Radiação Solar
Actinógrafo: Quantifica e registra o total de radiação solar global (Rglo) que chega em superfície. Equipamento de funcionamento mecânico.
Fonte: Varejão-Silva, 2005
Fonte: Azevedo, 2005
Equipamentos de medidas de Radiação Solar
Radiômetro: Quantifica e registra o total de radiação solar global (Rglo) que chega em superfície. Equipamento eletrônico.
Fonte: www.campbellsci.com.br Fonte: LCB/Dep. de Geografia, USP
Nascer
Meio diaSolar
Ocaso
Radiação solar GlobalOnda curta
Radiação solar RefletidaOnda curta
Emissividade atmosféricaOnda Longa
Emissividade TerrestreOnda Longa
SRoc=Global - Refletida
SRol=Eatm - Eter
SR (net) = SRoc +- SRolSR (net) = SRoc +- SRol
Fonte: http://www.kippzonen.com/pages/706/3/CNR1
Unidades de Irradiância Solar
SI W/m2 = J/m2s
CGS cal/cm2min
SI MJ/m2dia
CGS cal/cm2dia
Valores instantâneos
Valores diários
1 cal = 4,18 J ou 1 J = 0,239 cal 1 cal/cm2min = 696,67 W/m2
1 MJ/m2dia = 23,923 cal/cm2dia
ou 1 cal/cm2dia = 0,0418 MJ/m2dia
À razão entre a irradiância solar global e a extraterrestre denomina-se Transmitância Global (Tg), ou seja, representa a
proporção da radiação solar determinada no limite extremo da atmosfera que efetivamente atinge a superfície terrestre. Como ao longo do dia a espessura da atmosfera varia em função do ângulo
zenital, Tg também varia:
Tg menor ao nascer e pôr do sol
Tg maior ao meio dia
A nebulosidade tem papel fundamental na transmitância da atmosfera:
Maior Nebulosidade (menor insolação) menor Tg
Menor Nebulosidade (maior insolação) maior Tg0,7 < Tg < 0,8 0,2 < Tg < 0,3
Tg médio = 0,50
Os valores instantâneos da irradiância solar global na superfície sofrem grandes variações temporais e espaciais em função das
condições atmosféricas, especialmente umidade e nebulosidade, e também da época do ano e hora do dia, pois
ocorre variação da camada da atmosfera a ser atravessada pela radiação solar.
Radiação solar global para um dia de verão e de Radiação solar global para um dia de verão e de invernoinverno
Dia de céu limpo no verãoRglo = 29,2 MJ/m2
Dia de céu limpo no verãoRglo = 29,2 MJ/m2
Dia de céu limpo no inverno
Rglo=17,6MJ/m2
Dia de céu limpo no inverno
Rglo=17,6MJ/m2
Redução de 40%
Radiação solar global média em São Paulo, 1995 a Radiação solar global média em São Paulo, 1995 a 2005.2005.
Variação espacial da Insolação (n) no Brasil
Universidade de São Paulo - Departamento de GeografiaUniversidade de São Paulo - Departamento de GeografiaClimatologia I – 2008 - Professor: Emerson GalvaniClimatologia I – 2008 - Professor: Emerson Galvani
Exercício 4 - Radiação SolarExercício 4 - Radiação Solar
1) De posse dos gráficos de Radiação solar global registrado em 1) De posse dos gráficos de Radiação solar global registrado em radiômetro instalado na estação meteorológica do departamento de radiômetro instalado na estação meteorológica do departamento de Geografia – LCB, nas datas de 02 de fevereiro e 5 de agosto de 2003, Geografia – LCB, nas datas de 02 de fevereiro e 5 de agosto de 2003, determine:determine:– Horário de nascer e por do sol para as duas datas;Horário de nascer e por do sol para as duas datas;– Duração do fotoperíodo nas duas datas (intervalo entre nascer ao Duração do fotoperíodo nas duas datas (intervalo entre nascer ao
por do sol);por do sol);– A intensidade máxima de radiação solar global para as duas datas A intensidade máxima de radiação solar global para as duas datas
(próximo ao meio dia);(próximo ao meio dia);– O valor da energia integrada do nascer ao por do sol em cada data O valor da energia integrada do nascer ao por do sol em cada data
(veja roteiro abaixo);(veja roteiro abaixo);– Explique o porquê da diferença de energia entre as duas datas. Explique o porquê da diferença de energia entre as duas datas.
Qual dos dias terá temperatura máxima mais elevada?Qual dos dias terá temperatura máxima mais elevada? Roteiro a ser seguido:Roteiro a ser seguido: Determinar o valor médio da energia (ponto médio) para cada intervalo Determinar o valor médio da energia (ponto médio) para cada intervalo
de hora e preencher a tabela abaixo (ver valores no eixo do “y”;)de hora e preencher a tabela abaixo (ver valores no eixo do “y”;) Em seguida multiplicar por 3600 (que é o número de segundos de Em seguida multiplicar por 3600 (que é o número de segundos de
uma hora);uma hora); O total diário será a soma de todos os valores horários em W/mO total diário será a soma de todos os valores horários em W/m22. Para . Para
obter em MJ/mobter em MJ/m22 dividir por 1.000.000. dividir por 1.000.000.
Dia 02 de fevereiro de 2003
Dia 05 de agosto de 2003
horário Ponto médio Valor horário horário Ponto médio Valor horário 6 às 7h 6 às 7h 7 às 8h 7 às 8h 8h às 9h 8h às 9h
9h às 10h 9h às 10h 10 às 11h 10 às 11h 11 às 12h 11 às 12h 12 às 13h 12 às 13h 13 às 14h 13 às 14h 14 às 15h 14 às 15h 15 às 16h 15 às 16h 16 às 17h 16 às 17h 17 ás 18h 17 ás 18h 18 às 19h 18 às 19h
Total do dia (W/m2) ---- Total do dia (W/m2) ----- Total do dia (MJ/m2) ---- Total do dia (MJ/m2) -----
Figura 01: Radiação solar global medida na estação do LCB, em 02 de fevereiro de 2003 (verão). Dia com cobertura de céu limpo.
Figura 02: Radiação solar global medida na estação do LCB, em 05 de agosto de 2003 (inverno). Dia com cobertura de céu limpo.