Relações Terra-Sol e Balanço Energia

Relações astronômicas
Terra-Sol e Balanço de Energia
Prof. Dr. Lucas Sant’Ana

Relações astronômicas entre a Terra
e o Sol
O Sol é fonte primária de
energia para todos os processos
termodinâmicos que ocorrem na
superfície da terra e a vida
existente.
Para efeitos práticos, considera-se que a terra
apresenta forma geométrica esférica.

Forma e dimensão da terra:
A terra não tem forma geométrica definida, mas segundo os
ajustes obtidos por imagens de satélites, considera-se a terra
como um elipsóide de revolução com semi eixo a de 6378 km e
semi eixo b de 6356 km.

Eixo de rotação (NS): eixo terrestre que toca a superfície em
dois pontos opostos do planeta (Norte e Sul).
Plano do equador (E): plano imaginário perpendicular ao eixo
terrestre. O equador divide a terra em dois hemisférios: N e S.
Planos paralelos (P): perpendiculares ao eixo terrestre e
paralelos ao plano do equador.
Planos meridianos (M): planos imaginários que contém o eixo
terrestre e são perpendiculares ao plano do equador.
Coordenadas Geográﬁcas

Coordenadas Geográficas:
A determinação exata de um ponto na superfície da terra
somente é possível desenhando-se linhas e planos imaginários
como referência. Para localizar um ponto P no espaço são
necessárias coordenadas tridimensionais (distâncias X, Y e Z) a
partir de uma origem.

Latitude (Φ):
Abertura do arco
meridiano local entre
o equador e o paralelo
que passa pelo local,
tendo como origem o
centro da terra (0° 00'
00''). Magnitude de 0 a
90°. Pode ser
designada por sinais:
(+) latitude norte (N)
ou (-) latitude sul (S).

Longitude (λ):
Ângulo formado entre
o plano meridiano que
passa pelo local e o
plano do meridiano de
Greenwich, expresso
em 0° 00' 00''. A
magnitude da longitude
é de 0 a 180°.

Altitude:
Distância vertical entre a projeção esférica do nível
médio dos mares e o local considerado. Referência o
nível do mar. Altura é a distância vertical em relação a
uma referência qualquer.

Plano do horizonte: plano tangente a superfície da
terra em um ponto local. Qualquer superfície em nível
é uma seção do plano do horizonte local.

Linha Zênite-Nadir: linha imaginária prolongada
para o espaço, sendo sentido contrário ao centro da
terra (Zênite) e sentido ao centro da terra (Nadir).

13
Plano da Eclíptica:
Plano que contém a órbita da terra em torno do sol e o
centro da terra e o centro do sol a qualquer instante.

O plano do equador terrestre faz com o plano da
eclíptica um ângulo praticamente invariável de 23°27’. O
eixo de rotação da Terra possui esta mesma abertura
angular com a normal (perpendicular) ao plano da
eclíptica, podendo isto ser chamado de obliquidade da
eclíptica.
14

O movimento aparente se dá entre as latitudes de 23º
27´
N (+23º
27´) e 23º
27´ S (-23º27´), que correspondem
respectivamente aos Trópicos de Câncer e Capricórnio.
15

17
Zênite:
Linha imaginária que liga o centro da Terra e o ponto na
superfície, prologando-se ao espaço acima do observador.

18
Ângulo zenital:
Formado entre o zênite e os raios solares, variando
segundo a latitude, a época do ano e a hora do dia.

20
Movimentação Terrestre:
Os movimentos de rotação e translação da terra
constituem-se num dos mais importantes fatores a
condicionar os elementos meteorológicos, fazendo com
que eles variem no tempo, em escala diária como anual.

21
Rotação:
Movimento efetuado em torno de um eixo imaginário a
uma velocidade de mais ou menos 2π rad/24 horas, ou
seja, uma rotação completa em um dia.

22
Translação:
Movimento efetuado pela terra em torno do sol com
duração de aproximadamente 365 dias e 6 h. Ocorre
segundo uma órbita elíptica.

23
Periélio: posição mais próxima do sol (Ocorre em 03/01);
Afélio: posição mais distante do sol (Ocorre em 04/07);

Existem 4 dias com significado mais especial na
variação anual dos raios solares. Solstícios (verão
e inverno) e Equinócios (outono e primavera).
24

Solstício de verão no Hemisfério Sul (inverno no HN)
ocorre normalmente no dia 22/12 (início do verão).
Nessa data, o fotoperíodo é mais longo no HS (> 12h) e
mais curto no HN (< 12h). Na linha do Equador,
fotoperíodo é igual a 12h.
25

Solstício de inverno no Hemisfério Sul (verão no HN)
ocorre normalmente no dia 22/06 (início do inverno).
Nessa data, o fotoperíodo é mais longo no HN (> 12h) e
mais curto no HS (< 12h). No Equador o fotoperíodo é
igual a 12h.
26

Equinócios ocorrem em média nos dias 23/03 (Eq. outono)
início desta estação e 23/09 (Eq. Primavera) correspondente
ao início da primavera. Nessas datas, o fotoperíodo é igual a
12h em todas as latitudes do globo.
27

A declinação solar nas demais datas do ano, será variável entre os
valores apresentados na tabela acima, podendo ser calculados para
qualquer data:
29
Cálculo da declinação solar

Calcule a declinação solar para o dia 16 de agosto de 2019,
utilizando a equação:
30
Exemplo:
R = 13,14º

32
Duração astronômica do dia
Devido a distância Terra-Sol, considera-se que os
raios do sol sejam paralelos entre si com a Terra. Esses
raios, ao tangenciar a superfície terrestre delimitam o
círculo e divide a terra em dois hemisférios: um
iluminado (dia) e outro escuro (noite).

Devido ao “movimento” anual do Sol, tem-se uma
variação da duração dos dias ao longo do ano para
ambos os hemisférios.
33

34
As variações do dia e da
noite ao longo do ano, são
maiores a medida que se
afasta do equador, tendo-se
como extremos, uma
situação invariável no
equador (12 h para o dia e
12 h para a noite) e nos
pólos (0 h para o dia e 24 h
para noite ou vice-versa).

35
Estimativa da duração do dia
A duração do dia pode ser obtida conhecendo-se o
ângulo do nascer ou do pôr do sol.
Ângulo do nascer ou do pôr do sol (H): formado pelo
percurso de um ponto na superfície da Terra desde o
nascer do sol neste ponto até o meio dia solar.

36
Duração do dia, horas de insolação ou fotoperíodo
(N): número de horas que transcorrem do nascer do sol
ao pôr do sol, ou número máximo de horas possíveis de
insolação.

37
O campus do IFPR de Ivaiporã apresenta latitude -24,25. Dadas tal
informação, calcule a declinação solar e o fotoperíodo para este local
para o dia
1)14/10/2022:
2) 23/12/2022:

Radiação Solar
> Fundamental nos processos fisiológicos das plantas
desde a emergência até a maturação delas.
> A respostas das plantas varia dependendo da quantidade
e da qualidade da radiação recebida.

Radiação Solar
Energia emitida pelo sol por meio dos fótons,
que propaga pelo espaço na velocidade da luz e
como ondas eletromagnéticas.
O sol emite energia em todas as direções;
A terra intercepta uma parte insignificante dessa
energia emitida;
Aproximadamente 99,9% da energia que chega
a superfície terrestre é proveniente do sol.

Grande parte da energia solar é usada no
aquecimento do ar e do solo, no processo
fotossintético dos vegetais, na evaporação da água
e na circulação geral da atmosfera, mantendo o
ciclo hidrológico.

Processos de transferência de energia
Energia = capacidade de realizar trabalho.
> Energia interna é transferida da maior para a menor
temperatura;
Formas de energia

Energia térmica
Relacionada com uma certa quantidade de
energia interna, que se manifesta por um
movimento de moléculas, átomos e partículas;
Está relacionada com a temperatura do corpo. A
quantidade de energia e a temperatura são
fenômenos relacionados, mas significam coisas
diferentes.

Energia térmica
O calor é um fenômeno de fronteira, ocorrendo
nos limites de um determinado sistema, por exemplo
as paredes externas de uma construção;
Calor = energia em trânsito.
Todos os corpos que nos rodeiam têm energia
interna e dependendo das condições ao seu redor,
ele poderá trocar ou não calor com o meio.

Energia radiante
Relaciona-se com a transformação de parte da
energia térmica em ondas eletromagnéticas.
Emissão de radiação: uma das formas de troca de
calor entre o homem e o meio ambiente;
É constituída por ondas eletromagnéticas que se
propagam à velocidade de 300.000 km/s;
Muitos tipos, cada um dos quais se identifica
pelo comprimento de sua onda (λ):

Energia radiante
A emissão de energia radiante só tem lugar no
vácuo ou quando o meio em contato com o corpo é
transparente a ela.
Sol (alta temperatura e emissor de ondas curtas);
Outras fontes (baixa temperatura (< 100ºC) e
emissores de ondas longas).
Balanço de calor, duas fontes principais de emissão:

49
É dada basicamente por três processos:
Condução;
Convecção;
Radiação.
Transferência de calor

50
Condução
A energia calorífica é transferida de uma molécula
para outra. Esse processo permite definir o conceito de
materiais bons e maus condutores de calor, como os
metais e o ar, respectivamente.

51
É o processo em que uma massa fluida se
movimenta por diferença de densidade. Tem uma
importância muito grande na atmosfera terrestre. É
essencial para compreender as geadas.
Convecção

Processo em que a energia proveniente do sol ou
de outra fonte qualquer, se propaga sob a forma de
ondas eletromagnéticas. Se propaga também no
vácuo, não havendo necessidade de um meio
material para que essa transferência de energia
ocorra.
52
Radiação

Ondas eletromagnéticas (OE)
“Perturbações periódicas, ou oscilações de
partículas por meio das quais muitas formas de
energia se propagam a partir de suas fontes”

Grandezas características das OE
Comprimento (λ): distância entre duas cristas
consecutivas;
Frequência (f): número de cristas que passam por
um ponto de referência na unidade de tempo;
Velocidade (c): distância percorrida por determinada
crista por unidade de tempo.
Período (T): tempo necessário para uma crista
completar um ciclo. Inverso a frequência.

55
Comprimento (λ)
Frequência (f)

Radiação Gama (γ): radioterapia, conservação de
alimentos;
Raios X: radiografias, avaliação de estruturas cristalinas;
Radiação ultravioleta (UV): quase toda absorvida pelo
ozônio;
Radiação visível (luz): cada cor apresenta um espectro;
Radiação infravermelha (IV): calor;
Micro-ondas: maior que 1.000 μm;
Ondas de rádio: comprimento de onda maior que 1 m.
56
Tipos de radiação eletromagnética

Comprimentos de ondas de interesse agrícola:
Ultravioleta (0,2-0,4 μm): alto potencial energético.
Pode causar a foto inibição e processos de mutação nas
plantas.
Radiação visível (0,4-0,7 μm): Energia suficiente para
realizar a fotossíntese. Vermelha: quebra de dormência de
sementes e indução de ramificações laterais; Azul:
abertura estomática.
Radiação infravermelha (> 0,7 μm): Não tem energia
suficiente para a fotossíntese, mas fornece calor para aos
processos metabólicos e atua na morfologia (contrária a
radiação vermelha).
58
Qualidade da radiação solar

Poder emissivo: Quantidade de energia emitida
por uma superfície por unidade de área e tempo, a
uma dada temperatura. Todo corpo que possui
energia (Tº > 0 K) emite certa quantidade de
energia em determinados comprimentos de onda.
Corpo negro: Idealização física para estudo da
radiação. Absorve toda energia incidente sobre
ele e, para cada Tº e para cada comprimento de
onda, é o corpo que emite a máxima quantidade
de energia.
60
Conceitos gerais

Emissividade (E): Índice que compara o poder
emissivo de um corpo qualquer com o poder
emissivo do corpo negro à mesma temperatura.
E = emissividade do corpo;
Ec = poder emissivo do corpo à temperatura T;
Ecn = poder emissivo do corpo negro à temperatura T.
61
Conceitos gerais

Quando um feixe de radiação (I) incide sobre um
corpo, pode originar três parcelas:
Refletida (Ir), Absorvida (Ia) e Transmitida (It).
Absortividade (A):
Refletividade (R):
Transmissividade (T):
62
Conceitos gerais

Lei de Planck:
Equacionou o poder emissivo de um corpo negro
distribuído em diferentes λ para diferentes Tº.
63
Leis da Radiação
“Todos os objetos (com temperatura) emitem continuamente energia
radiante ao longo de uma faixa de comprimento de onda.”

Lei de Stefan-Boltzmann:
O poder emissivo de um corpo negro é diretamente
proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta.
64
Leis da Radiação
Lei de Kirchhoff:
Para um dado comprimento de onda a uma dada
temperatura, a absortividade de um corpo negro é igual à
sua emissividade.
σ = constante de Stefan-Boltzmann.

RADIAÇÃO SOLAR
Maior fonte de energia para a Terra
Agrometeorologia

EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO
• Actinógrafo de
Robitzsch (energia)
• Heliógrafo (total de
horas de brilho)
Agrometeorologia
Actinógrafo de Robitzsch
Heliógrafo
Imagem: meteoropole.com.br

EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO
• Piranômetros de
Termopar e
fotodiodo de silício.
Agrometeorologia
Imagem: Esalq 2007

RADIAÇÃO FOTOSSINTETICAMENTE
ATIVA
Agrometeorologia
Imagem: Veja a influência da Luz na velocidade da Fotossíntese: Biologia Enem (blogdoenem.com.br)

BALANÇO DE ENERGIA
• O espectro de distribuição da radiação solar que chega na
superfície terrestre é constituído predominantemente de
ondas curtas (comprimentos menores que 3.000 nm) e a
distribuição espacial e estacional dessa radiação é a
grande causa dos fenômenos meteorológicos.
• A radiação solar atua diretamente sobre o
desenvolvimento e o crescimento das plantas, e
indiretamente pelos efeitos no regime térmico de
qualquer sistema terrestre, assim como sobre a
evaporação de água pelas superfícies naturais

RADIAÇÃO DE ONDA CURTA
(ROC)
• A radiação de onda curta, ao interagir com a atmosfera e a superfície,
sofre processos de atenuação (absorção, difusão e reflexão), sendo que
uma parte do que chega no limite externo da atmosfera (Qo) atinge a
superfície, onde outra parte sofre também reflexão. Isto estabelece um
balanço de radiação de ondas curtas (ganhos e perdas).
Balanço de
Radiação de Ondas
Curtas (BOC)
48% Qo
Radiação global que
chega a superfície (Qg):
Radiação direta (23%)
+
Difusa (29%)
52% Qo
Albedo
(coeficiente de
reflexão) :
31%

RADIAÇÃO DE ONDA LONGA
(ROL)
Para uma superfície terrestre qualquer, seja uma
cobertura vegetada, uma superfície líquida, uma
construção, um animal, etc., a energia disponível para os
processos biológicos e/ou físicos que neles ocorrem
depende não somente desse balanço de ondas curtas,
visto que todos os corpos terrestres são também
emissores de energia radiante, mas com um espectro
(distribuição) de comprimento de ondas longas
(comprimentos de onda acima de 3.000 nm).

BALANÇO DE RADIAÇÃO
LÍQUIDA (RN
)
• Para cada instante haverá um balanço de radiação
que é característico da superfície (solo coberto
por vegetação ou por qualquer material, solo nu,
superfície líquida, animal, etc.).
• Esse balanço de radiação Rn (chamado também
de saldo de radiação ou radiação líquida) é
composto do balanço de onda curtas (BOC) e do
balanço de ondas longas (BOL), podendo ser
representado por:
Rn = BOC + BOL

BALANÇO DE RADIAÇÃO
Simplificando
• a superfície recebe uma irradiância solar global Qg
(radiação direta + difusa) e reflete r Qg, sendo r o
coeficiente de reflexão da superfície (para superfícies
naturais r é conhecido também como albedo).
• Qa ⇒ fluxo de energia radiante emitida pela
atmosfera em direção à superfície, também
denominada de contra-radiação
atmosférica, que depende da temperatura do ar, da
quantidade de vapor d’água nela presente (o vapor
absorve ondas longas) e da cobertura de nuvens;
• Qs ⇒ fluxo de energia radiante emitida pela
superfície em direção à atmosfera, denominada de
emitância radiante da superfície, que depende da
sua temperatura e da sua emissividade ou poder
emissor da superfície (ε)

BALANÇO DE RADIAÇÃO -
OBSERVAÇÕES
o Durante o período diurno, o BOC é positivo, sendo nulo à noite.
o O sinal do BOL depende dos valores de Qa e Qs. Normalmente, o
valor diário do BOL em uma superfície natural é negativo.
o Isso faz com que nas superfícies naturais, o valor diurno do BOC
(maior do que o do BOL) torne Rn positivo nesse período do dia (a
superfície tem ganho líquido de energia)
o enquanto que à noite, sendo BOC = 0 e o BOL negativo, tem-se Rn
negativo (a superfície tem perda de energia).
Esse é um modo da superfície eliminar parte da energia solar absorvida
e que se transformou em calor sensível

OBSERVAÇÕES
o A Terra reflete a radiação (de
ondas curtas) emitida pelo Sol,
mas também emite sua própria
radiação (de ondas longas).
o Atenção nisso: Qualquer corpo, ao
emitir radiação, perde energia e
por isso esfria. Essa é a razão da
noite ser mais fria que o dia e a
temperatura mínima ocorrer um
pouco antes do nascer do Sol.

OBSERVAÇÕES

MEDIDA DO BALANÇO DE
RADIAÇÃO
o O balanço de radiação de uma superfície (Rn) pode ser medido por um saldo-radiômetro,
Constituído de duas placas sensores com
pares termoelétricos, uma voltada para
cima e outra para baixo.
Capta as energias de ondas curtas e de
ondas longas direcionadas para dentro e
para fora do sistema.
O aquecimento diferencial das placas gera
uma força eletromotriz nos termopares,
que é registrada e transformada em
energia por um coeficiente de calibração,
proporcional ao saldo de radiação

BALANÇO DE ENERGIA EM
AMBIENTE PROTEGIDO
o O conhecimento dos princípios do balanço de radiação ajuda a
entender fenômenos como o efeito estufa e a formação de geadas e
também fornece meios para minimizar efeitos desfavoráveis.
o O uso de coberturas plásticas (estufas) ou de outro tipo, podem
promover temperaturas adequadas para o crescimento das plantas.
o Quando do uso dessas coberturas, existe uma alteração no balanço
de energia uma vez que existe absorção e emissão pelo material
utilizado para a cobertura

AMBIENTE PROTEGIDO
o O uso de coberturas pode ter objetivos diferentes dependendo da região
em que essas são utilizadas.
o Por exemplo, estufas na região sul são geralmente utilizadas para
minimizar os efeitos de baixas temperaturas, sendo fechadas.
o Na região norte é comum o uso de coberturas para evitar o efeito de
granizo ou excesso de exposição aos raios solares e são geralmente
abertas.
Em geral, a cobertura da estufa, quando o objetivo é captar energia solar,
deve ter uma transmissividade grande e refletividade baixa.
Por outro lado, quando o objetivo é a proteção contra o excesso de radiação,
as coberturas devem ser de baixa transmissividade e alta refletividade.

AMBIENTE PROTEGIDO

MUDANÇAS CLIMÁTICAS –
EFEITO ESTUFA
o GEE atuam como filtros para a OL emitida
pela superfície – temperatura em torno dos
300 K;
o Ondas curtas emitidas pelo Sol
(temperatura em torno dos 6000K) sofrem
pouca interferência da atmosfera terrestre,
causando desequilíbrio no balanço de
radiação da Terra.

MUDANÇAS CLIMÁTICAS –
EFEITO ESTUFA

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