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12.º ano A · Física
Radiação térmica · Equilíbrio radiativo da Terra

Efeito de estufa natural e intensificado

Num dia de inverno, em Évora, o Sol aquece a rua e, à noite, o céu limpo deixa o ar gelado. Se a Terra recebe energia do Sol todos os dias, porque é que não aquece sem parar? E porque é que a temperatura média do planeta é cerca de 15 °C, e não muito mais baixa? Vais responder a estas perguntas com uma ideia só: o que entra tem de ser igual ao que sai.

O balanço da energia solar

A Terra recebe energia do Sol sob a forma de radiação. Nem toda é absorvida: por cada 100 unidades de potência solar que chegam ao topo da atmosfera, cerca de 30 são refletidas para o espaço (pelas nuvens, pelo gelo e pela própria atmosfera). As restantes, cerca de 70, são absorvidas pelo sistema Terra–atmosfera.

Esquema simplificado: de 100 unidades de potência solar, 30 são refletidas e 70 são absorvidas pela atmosfera e pela superfície. Sol 100 (radiação solar) Atmosfera 30 refletidas 70 absorvidas Superfície da Terra

A energia absorvida aquece a superfície e a atmosfera. Mas um corpo quente também emite radiação, sobretudo infravermelha. Quanto mais quente, mais emite (lembra $P=\sigma A T^4$).

Porquê? Se $P_{abs}>P_{rad}$, a energia do corpo aumenta e $T$ sobe. Como $P_{rad}$ cresce com $T^4$, chega-se a uma temperatura em que as duas potências se igualam e a subida para.

Pratica★☆☆Por começar
A figura representa, de forma simplificada, os fluxos de energia entre o Sol, a superfície da Terra e a atmosfera. Por cada 100 unidades de potência solar que atingem o…

A figura representa, de forma simplificada, os fluxos de energia entre o Sol, a superfície da Terra e a atmosfera. Por cada 100 unidades de potência solar que atingem o topo da atmosfera, cerca de 30 são refletidas para o espaço e as restantes são absorvidas pelo sistema Terra–atmosfera.

Sol radiação solar refletida atmosfera radiação infravermelha reemitida emitida para o espaço superfície da Terra
  1. a) Explica o que acontece à radiação solar que não é refletida para o espaço.
  2. b) Explica por que razão a atmosfera retém parte da radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre e indica qual é a consequência desse processo para a temperatura média do planeta.
  3. c) Distingue o efeito de estufa natural do efeito de estufa intensificado pelas atividades humanas, indicando um gás cuja concentração na atmosfera tem aumentado.
Resolver

A temperatura de uma Terra sem atmosfera

Em média, cada metro quadrado da Terra absorve cerca de $240\ \text{W}$ (já contando com a noite, as latitudes e a reflexão). Em equilíbrio, radia os mesmos $240\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}$. Aplicando Stefan-Boltzmann por metro quadrado, $P/A=\sigma T^4$.

Pratica★★☆Por começar
Em média, cada metro quadrado da Terra — contando com o dia e a noite e com todas as latitudes — absorve cerca de $240\ \text{W}$ de potência solar. Para que a…

Em média, cada metro quadrado da Terra — contando com o dia e a noite e com todas as latitudes — absorve cerca de $240\ \text{W}$ de potência solar. Para que a temperatura média do planeta se mantenha estável, a Terra tem de radiar para o espaço exatamente a mesma potência por metro quadrado ($\sigma = 5,67\cdot10^{-8}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-4}$).

  1. a) Escreve a condição de equilíbrio radiativo da Terra, relacionando a potência absorvida com a potência radiada dada pela lei de Stefan-Boltzmann.
  2. b) Determina, em kelvin e em graus Celsius, a temperatura que a Terra deveria ter para radiar $240\ \text{W}$ por cada metro quadrado.
  3. c) A temperatura média real à superfície da Terra é cerca de $15\ ^\circ\text{C}$. Explica a diferença entre este valor e o obtido na alínea anterior.
  4. d) Prevê o que acontece à temperatura do planeta, até se restabelecer o equilíbrio radiativo, se a atmosfera passar a reter uma maior quantidade de radiação infravermelha devido ao aumento da concentração de dióxido de carbono.
Resolver

Efeito de estufa natural

A radiação solar é sobretudo visível e atravessa bem a atmosfera, aquecendo a superfície. A superfície, a cerca de $288\ \text{K}$, emite radiação infravermelha (pela lei de Wien, o máximo de emissão fica nesta região). Alguns gases da atmosfera, como o vapor de água, o dióxido de carbono ($\text{CO}_2$) e o metano ($\text{CH}_4$), absorvem essa radiação infravermelha e voltam a emiti-la em todas as direções, incluindo para baixo.

Efeito de estufa: a radiação solar atravessa a atmosfera, a superfície emite infravermelho, os gases absorvem-no e devolvem parte à superfície. Atmosfera (CO₂, vapor de água, CH₄) Superfície Radiação solar Infravermelho Devolvido Para o espaço

Com esta radiação devolvida, a superfície recebe energia do Sol e da atmosfera. Para radiar o mesmo que recebe, tem de estar a uma temperatura mais alta. É isto o efeito de estufa natural: faz com que a temperatura média passe de cerca de $-18\ ^\circ\text{C}$ para cerca de $15\ ^\circ\text{C}$. Sem ele, a vida como a conhecemos seria muito difícil.

Efeito de estufa intensificado

O efeito de estufa natural é útil. O problema é o seu aumento por atividade humana: a queima de combustíveis fósseis, a desflorestação e a agropecuária lançam para a atmosfera mais $\text{CO}_2$ e $\text{CH}_4$. Com mais gases absorventes, a atmosfera devolve mais radiação à superfície e o novo equilíbrio faz-se a uma temperatura mais alta. É o efeito de estufa intensificado, a causa principal do aquecimento global.

Natural Intensificado
Origem gases já presentes na atmosfera aumento de $\text{CO}_2$, $\text{CH}_4$… por atividade humana
Consequência temperatura média ≈ 15 °C temperatura média a subir
Papel torna a Terra habitável desequilibra o balanço energético

De volta ao início: a Terra não aquece sem parar porque, a cada temperatura, radia mais; e é mais quente do que $-18\ ^\circ\text{C}$ porque a atmosfera devolve parte do infravermelho.

Em resumo

  • Em equilíbrio, $P_{abs}=P_{rad}$; se não se verificar, a temperatura muda até se verificar.

  • Sem atmosfera, $\sigma T^4=240\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ dá $T\approx 255\ \text{K}\ (\approx -18\ ^\circ\text{C})$.

  • A atmosfera absorve o infravermelho da superfície e devolve parte dele: é o efeito de estufa natural, que eleva a temperatura média para cerca de $15\ ^\circ\text{C}$.

  • Mais $\text{CO}_2$ e $\text{CH}_4$ por atividade humana intensificam o efeito e aumentam a temperatura de equilíbrio.

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