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.