Questão 7) Explique o balanço de energia da superfície da terra (incluindo a atmosfera);

Passo 1

O enunciado pede para explicar o balanço de energia na superfície da Terra, incluindo a atuação da atmosfera. O conteúdo envolve radiação (curta e longa onda), propriedades radiativas (albedo, emissividade), e os principais fluxos de calor na interface solo–atmosfera (fluxo sensível, fluxo latente e fluxo de calor no solo). Vamos usar conceitos de conservação de energia e leis de Stefan–Boltzmann e de Kirchhoff.

Passo 2

Definimos primeiro a radiação solar incidente S (constante solar ajustada por ângulo de incidência). Parte dela é refletida de volta para o espaço pela superfície e nuvens; essa fração refletida é dada pelo albedo \alpha. O fluxo líquido de radiação solar absorvido pela superfície é
S_{\mathrm{abs}} = (1-\alpha)\,S.

Passo 3

Nem toda radiação solar chega ao solo: a atmosfera absorve e espalha parte de S. Chamamos de S_{\mathrm{atm}} a parcela absorvida pela atmosfera. Assim, a superfície recebe
S_{\mathrm{surf}} = (1-\alpha)\,S - S_{\mathrm{atm}}.
O restante absorvido pela atmosfera aquece e depois é reemitido em onda longa.

Passo 4

A Terra e a atmosfera emitem radiação de onda longa. A superfície emite
L_{\mathrm{up}} = \varepsilon\,\sigma\,T_{\mathrm{surf}}^4,
enquanto a atmosfera emite para baixo uma fração L_{\mathrm{down}} (efeito estufa). O balanço radiativo líquido na superfície é portanto
R_n = S_{\mathrm{surf}} + L_{\mathrm{down}} - L_{\mathrm{up}}.

Passo 5

Além da troca radiativa, a superfície troca energia por convecção (fluxo sensível H) e evaporação (fluxo latente LE), e também por condução no solo G. No estado estacionário (médio temporal), a conservação de energia na superfície implica
R_n = H + LE + G.
Isso significa que toda energia líquida recebida deve ser transportada para a atmosfera ou para o interior da Terra.

Passo 6

Em equilíbrio de longo prazo, soma das trocas radiativas e turbilhonais se anula. O balanço global simplificado se escreve
(1-\alpha)\,S + L_{\mathrm{down}} - \varepsilon\,\sigma\,T_{\mathrm{surf}}^4 \;=\; H + LE + G.
Esse é o balanço de energia da superfície-terra­–atmosfera, que determina a temperatura de equilíbrio da Terra.

Resposta

O balanço de energia na superfície da Terra equilibra a radiação de onda curta absorvida (1-\alpha)S e a radiação de onda longa recebida da atmosfera L_{\mathrm{down}} com a emissão de onda longa da superfície \varepsilon\sigma T_{\mathrm{surf}}^4 e os fluxos sensível H, latente LE e de condução no solo G:
(1-\alpha)\,S + L_{\mathrm{down}} - \varepsilon\,\sigma\,T_{\mathrm{surf}}^4 = H + LE + G.

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