Radiação de ondas longas

Na ciência climática, a radiação de onda longa (LWR) é a radiação térmica eletromagnética emitida pela superfície da Terra, pela atmosfera e pelas nuvens. Ela também é chamada de radiação terrestre. Essa radiação está na porção infravermelha do espectro, mas é diferente da radiação de ondas curtas (SW) próxima ao infravermelho encontrada na luz solar.^[1] 

Intensidade espectral da luz solar (média no topo da atmosfera) e radiação térmica emitida pela superfície da Terra.

A radiação de onda longa de saída (OLR) é a radiação de onda longa emitida para o espaço a partir do topo da atmosfera da Terra.^[1] A radiação de ondas longas emitida desempenha um papel importante no resfriamento planetário.

A radiação de ondas longas geralmente abrange comprimentos de onda que variam de 3 a 100 micrômetros (μm). Às vezes, um corte de 4 μm é usado para diferenciar a luz solar da radiação de ondas longas. Menos de 1% da luz solar tem comprimentos de onda maiores que 4 μm. Mais de 99% da radiação de onda longa emitida tem comprimentos de onda entre 4 μm e 100 μm.^[2]

O fluxo [en] de energia transportado pela radiação de ondas longas emitida é normalmente medido em unidades de watts por metro quadrado (W⋅m-2). No caso do fluxo de energia global, o valor W/m2 é obtido dividindo-se o fluxo total de energia sobre a superfície do globo (medido em watts) pela área da superfície da Terra, 5,1×10¹⁴ m² (5,1×10⁸ km²; 2,0×10⁸ sq mi).^[3]

A emissão de radiação de ondas longas é a única maneira pela qual a Terra perde energia para o espaço, ou seja, a única maneira pela qual o planeta se resfria.^[4] O aquecimento radiativo da luz solar absorvida e o resfriamento radiativo para o espaço por meio da OLR alimentam o motor térmico que impulsiona a dinâmica [en] atmosférica.^[5]

O equilíbrio entre a OLR (energia perdida) e a radiação solar de ondas curtas que chega (energia obtida) determina se a Terra está sofrendo aquecimento ou resfriamento global (consulte o orçamento de energia da Terra [en]).^[6]

Balanço energético planetário

O crescimento do desequilíbrio energético da Terra a partir de medições de satélite e in situ (2005-2019). Uma taxa de +1,0 W/m² somada sobre a superfície do planeta equivale a uma absorção contínua de calor de cerca de 500 terawatts (~0,3% da radiação solar incidente).^[7][8]

A radiação de ondas longas de saída (OLR) constitui um componente crítico do orçamento de energia da Terra [en].^[9]

O princípio da conservação de energia diz que a energia não pode aparecer ou desaparecer. Portanto, qualquer energia que entra em um sistema, mas não sai, deve ser retida dentro do sistema. Portanto, a quantidade de energia retida na Terra (no sistema climático da Terra) é regida por uma equação:

[mudança na energia da Terra] = [energia que chega] - [energia que sai].

A energia chega na forma de radiação solar absorvida (ASR). A energia sai na forma de radiação de onda longa de saída (OLR). Assim, a taxa de alteração da energia no sistema climático da Terra é dada pelo desequilíbrio energético da Terra [en] (EEI):

${\displaystyle \mathrm {EEI} =\mathrm {ASR} -\mathrm {OLR} }$

Quando a energia está chegando a uma taxa maior do que a que sai (ou seja, ASR > OLR, de modo que o EEI é positivo), a quantidade de energia no clima da Terra aumenta. A temperatura é uma medida da quantidade de energia térmica na matéria. Portanto, nessas circunstâncias, as temperaturas tendem a aumentar em geral (embora as temperaturas possam diminuir em alguns lugares à medida que a distribuição de energia muda). À medida que as temperaturas aumentam, a quantidade de radiação térmica emitida também aumenta, levando a uma maior emissão de radiação de ondas longas (OLR) e a um menor desequilíbrio de energia (EEI).^[10]

Da mesma forma, se a energia chega em uma taxa menor do que sai (ou seja, ASR < OLR, de modo que o EEI é negativo), a quantidade de energia no clima da Terra diminui e as temperaturas tendem a diminuir em geral. À medida que as temperaturas diminuem, a OLR diminui, tornando o desequilíbrio mais próximo de zero.^[10]

Dessa forma, um planeta naturalmente ajusta constantemente sua temperatura de modo a manter o desequilíbrio de energia pequeno. Se houver mais radiação solar absorvida do que OLR emitida, o planeta se aquecerá. Se houver mais OLR do que radiação solar absorvida, o planeta esfriará. Em ambos os casos, a mudança de temperatura funciona para deslocar o desequilíbrio de energia para zero. Quando o desequilíbrio de energia é zero, diz-se que o planeta está em equilíbrio radiativo. Os planetas tendem naturalmente a um estado de equilíbrio radiativo aproximado.^[10]

Nas últimas décadas, mediu-se que a energia está chegando à Terra em uma taxa maior do que a que sai, o que corresponde ao aquecimento do planeta. O desequilíbrio energético tem aumentado.^[7][8] Pode levar de décadas a séculos para que os oceanos aqueçam e a temperatura planetária mude o suficiente para compensar um desequilíbrio energético.^[11]

Emissão

A radiação térmica é emitida por quase toda a matéria, em proporção à quarta potência de sua temperatura absoluta.

Em particular, o fluxo de energia emitido, ${\displaystyle M}$ (medido em W/m²) é dado pela lei de Stefan-Boltzmann para matéria sem corpo negro:^[12]

${\displaystyle M=\epsilon \,\sigma \,T^{4}}$

Onde ${\displaystyle T}$ é a temperatura absoluta, ${\displaystyle \sigma }$ é a constante de Stefan-Boltzmann, e ${\displaystyle \epsilon }$ é a emissividade. A emissividade é um valor entre zero e um que indica o quanto menos radiação é emitida em comparação com o que um corpo negro perfeito emitiria.

Superfície

A emissividade da superfície da Terra foi medida na faixa de 0,65 a 0,99 (com base em observações na faixa de comprimento de onda de 8 a 13 mícrons), sendo que os valores mais baixos são para regiões desérticas estéreis. A emissividade está, em sua maior parte, acima de 0,9, e a emissividade média global da superfície é estimada em cerca de 0,95.^[13][14]

Atmosfera

Os gases mais comuns no ar (ou seja, nitrogênio, oxigênio e argônio) têm uma capacidade insignificante de absorver ou emitir radiação térmica de ondas longas. Consequentemente, a capacidade do ar de absorver e emitir radiação de ondas longas é determinada pela concentração de gases residuais, como vapor de água e dióxido de carbono.^[15] De acordo com a lei da radiação térmica de Kirchhoff [en], a emissividade da matéria é sempre igual à sua absortividade, em um determinado comprimento de onda.^[12] Em alguns comprimentos de onda, os gases de efeito estufa absorvem 100% da radiação de ondas longas emitida pela superfície.^[16]

Embora os gases de efeito estufa no ar tenham uma alta emissividade em alguns comprimentos de onda, isso não corresponde necessariamente a uma alta taxa de radiação térmica emitida para o espaço. Isso ocorre porque a atmosfera geralmente é muito mais fria do que a superfície, e a taxa de emissão de radiação de ondas longas é escalonada como a quarta potência da temperatura. Assim, quanto maior a altitude em que a radiação de onda longa é emitida, menor sua intensidade.^[17]

Absorção atmosférica

A atmosfera é relativamente transparente à radiação solar, mas é quase opaca à radiação de ondas longas.^[18] A atmosfera normalmente absorve a maior parte da radiação de ondas longas emitida pela superfície.^[19] A absorção da radiação de ondas longas impede que essa radiação chegue ao espaço.

Nos comprimentos de onda em que a atmosfera absorve a radiação da superfície, uma parte da radiação que foi absorvida é substituída por uma quantidade menor de radiação térmica emitida pela atmosfera em uma altitude maior.^[17]

Quando absorvida, a energia transmitida por essa radiação é transferida para a substância que a absorveu.^[18] No entanto, em geral, os gases de efeito estufa na troposfera emitem mais radiação térmica do que absorvem, de modo que a transferência de calor radiativo de ondas longas tem um efeito de resfriamento líquido no ar.^[20][21] 

Janela atmosférica

Supondo que não haja cobertura de nuvens, a maioria das emissões da superfície que chegam ao espaço o faz por meio da janela atmosférica [en]. A janela atmosférica é uma região do espectro eletromagnético de comprimento de onda entre 8 e 11 μm em que a atmosfera não absorve a radiação de ondas longas (exceto pela faixa de ozônio entre 9,6 e 9,8 μm).^[19]

Gases

Os gases de efeito estufa na atmosfera são responsáveis pela maior parte da absorção da radiação de ondas longas na atmosfera. Os mais importantes desses gases são o vapor d'água, o dióxido de carbono, o metano e o ozônio.^[22] A absorção da radiação de ondas longas pelos gases depende das bandas de absorção específicas dos gases na atmosfera.^[19] As bandas de absorção específicas são determinadas por sua estrutura molecular e níveis de energia.

Nuvens

O equilíbrio da OLR é afetado por nuvens, poeira e aerossóis na atmosfera. As nuvens tendem a bloquear a penetração da radiação de onda longa ascendente, causando um fluxo menor de radiação de onda longa que penetra em altitudes mais elevadas.^[23] As nuvens são eficazes na absorção e dispersão da radiação de onda longa e, portanto, reduzem a quantidade de radiação de onda longa emitida.

As nuvens têm efeitos de resfriamento e aquecimento. Elas têm um efeito de resfriamento na medida em que refletem a luz solar (conforme medido pela nuvem de albedo [en]) e um efeito de aquecimento na medida em que absorvem a radiação de ondas longas. Para as nuvens baixas, o reflexo da radiação solar é o maior efeito; portanto, essas nuvens resfriam a Terra. Em contraste, para nuvens altas e finas em ar frio, a absorção da radiação de ondas longas é o efeito mais significativo; portanto, essas nuvens aquecem o planeta.^[24]

Dia e noite

A radiação líquida de todas as ondas é dominada pela radiação de ondas longas durante a noite e nas regiões polares.^[25] Embora não haja radiação solar absorvida durante a noite, a radiação terrestre continua a ser emitida, principalmente como resultado da energia solar absorvida durante o dia.

Relação com o efeito estufa

Radiação de saída e efeito estufa em função da frequência. O efeito estufa é visível como a área da área vermelha superior, e o efeito estufa associado ao CO₂ é diretamente visível como a grande queda próxima ao centro do espectro da OLR.^[26]

A redução da radiação de ondas longas de saída (OLR), em relação à radiação de ondas longas emitida pela superfície, é o cerne do efeito estufa.^[27]

Mais especificamente, o efeito estufa pode ser definido quantitativamente como a quantidade de radiação de ondas longas emitida pela superfície que não chega ao espaço. Na Terra, em 2015, cerca de 398 W/m² de radiação de onda longa foi emitida pela superfície, enquanto a OLR, a quantidade que chega ao espaço, foi de 239 W/m². Assim, o efeito estufa foi de 398-239 = 159 W/m², ou 159/398 = 40% das emissões da superfície que não chegam ao espaço.^[28][29][30]

Efeito do aumento dos gases de efeito estufa

Quando a concentração de um gás de efeito estufa (como o dióxido de carbono (CO₂), o metano (CH₄), o óxido nitroso (N₂O) e o vapor de água (H₂O)) aumenta, isso tem vários efeitos. Em um determinado comprimento de onda

• a fração de emissões da superfície que é absorvida aumenta, diminuindo a OLR (a menos que 100% das emissões da superfície nesse comprimento de onda já estejam sendo absorvidas);
• a altitude a partir da qual a atmosfera emite esse comprimento de onda para o espaço aumenta (já que a altitude na qual a atmosfera se torna transparente a esse comprimento de onda aumenta); se a altitude de emissão estiver dentro da troposfera, a temperatura do ar emissor será mais baixa, o que resultará em uma redução da OLR nesse comprimento de onda.

O tamanho da redução da OLR varia de acordo com o comprimento de onda. Mesmo que a OLR não diminua em determinados comprimentos de onda (por exemplo, porque 100% das emissões da superfície são absorvidas e a altitude de emissão está na estratosfera), o aumento da concentração de gases de efeito estufa ainda pode levar a reduções significativas na OLR em outros comprimentos de onda em que a absorção é mais fraca.^[31]

Quando a OLR diminui, isso leva a um desequilíbrio energético, com a energia recebida sendo maior do que a energia perdida, causando um efeito de aquecimento. Portanto, um aumento nas concentrações de gases de efeito estufa faz com que a energia se acumule no sistema climático da Terra, contribuindo para o aquecimento global.^[31]

Falácia do orçamento de superfície

Se a absortividade do gás for alta e o gás estiver presente em uma concentração suficientemente alta, a absorção em determinados comprimentos de onda se torna saturada.^[18]

Às vezes, argumenta-se incorretamente que isso significa que um aumento na concentração desse gás não terá efeito adicional sobre o orçamento de energia do planeta. Esse argumento negligencia o fato de que a radiação de onda longa emitida é determinada não apenas pela quantidade de radiação da superfície que é absorvida, mas também pela altitude (e temperatura) em que a radiação de onda longa é emitida para o espaço. Mesmo que 100% das emissões da superfície sejam absorvidas em um determinado comprimento de onda, a OLR nesse comprimento de onda ainda pode ser reduzida pelo aumento da concentração de gases de efeito estufa, pois o aumento da concentração faz com que a atmosfera emita radiação de onda longa para o espaço a partir de uma altitude maior. Se o ar nessa altitude mais alta for mais frio (como ocorre em toda a troposfera), as emissões térmicas para o espaço serão reduzidas, diminuindo a OLR.^[31] 

As conclusões falsas sobre as implicações da absorção estar “saturada” são exemplos da falácia do orçamento da superfície, ou seja, o raciocínio errôneo que resulta do foco na troca de energia na superfície, em vez de se concentrar no balanço de energia do topo da atmosfera (TOA).^[31]