Como a energia solar interage com o sistema terrestre?
O clima da Terra é um sistema movido a energia solar. Globalmente, ao longo do ano, o sistema terrestre (continentes, oceanos e atmosfera) absorve uma média de cerca de 240 watts de energia solar por metro quadrado. A luz solar absorvida é destinada a inúmeros processos.
A energia solar é o combustível do sistema terrestre. É esta energia que aquece a água, a terra e o ar. Este aquecimento não acontece de maneira uniforme. Como a Terra é uma esfera, o Sol aquece regiões equatoriais mais do que regiões polares. A atmosfera e o oceano trabalham sem parar para compensar os desequilíbrios do aquecimento solar por meio da evaporação da água da superfície, da convecção, da chuva, dos ventos e da circulação oceânica.
O sistema atmosfera-oceano não apenas redistribui o calor solar do equador para os polos, mas também da superfície da Terra e da atmosfera mais baixa para o espaço. Caso contrário, a Terra se aqueceria infinitamente. A temperatura da Terra não aumenta infinitamente porque a superfície e a atmosfera estão irradiando simultaneamente calor para o espaço. Esse fluxo líquido de energia dentro e fora do sistema terrestre é conhecido como balanço de energia da Terra.
Cerca de 29% da energia solar que chega ao topo da atmosfera é refletida de volta ao espaço por nuvens, partículas atmosféricas ou superfícies brilhantes como o gelo e a neve. Essa energia não desempenha nenhum papel no sistema climático da Terra. Cerca de 23% da energia solar recebida é absorvida na atmosfera pelo vapor de água, poeira e ozônio, e 48% passa pela atmosfera e é absorvida pela superfície. Assim, cerca de 71% da energia solar total recebida é absorvida pelo sistema terrestre.
No entanto, a contribuição relativa da atmosfera e da superfície para cada processo (absorção de luz solar versus calor radiante) é assimétrica. A atmosfera irradia calor equivalente a 59% da luz solar recebida; a superfície irradia apenas 12%. Em outras palavras, a maior parte do aquecimento solar acontece na superfície, enquanto a maior parte do resfriamento radiativo acontece na atmosfera. Como esse rearranjo de energia entre a superfície e a atmosfera acontece?
Saldo de Energia na Superfície Terrestre
Para que o balanço de energia na superfície da Terra seja equilibrado, os processos no solo precisam eliminar os 48% da energia solar que as superfícies oceânicas e terrestres absorvem. A energia deixa a superfície através de três processos: evaporação, convecção e emissão de energia térmica infravermelha.
Cerca de 25% da energia solar recebida deixa a superfície por evaporação (as moléculas de água líquida absorvem a energia solar que entra e mudam de fase de líquido para gás). Um adicional de 5% da energia solar recebida deixa a superfície por convecção (o ar em contato direto com o solo aquecido pelo sol torna-se quente e flutuante).
Finalmente, cerca de 17% da energia solar que chega deixa a superfície como energia térmica infravermelha (calor) irradiada por átomos e moléculas na superfície. Este fluxo líquido ascendente resulta de dois fluxos grandes mas opostos: calor que flui para cima da superfície para a atmosfera (117%) e calor que flui para baixo da atmosfera para o solo (100%) (Esses fluxos concorrentes fazem parte do efeito estufa).
Saldo de Energia na Atmosfera
Medições por satélite indicam que a atmosfera irradia energia térmica infravermelha equivalente a 59% da energia solar recebida. A atmosfera absorve diretamente 23% da energia solar recebida. A evaporação e a convecção transferem 25 e 5% da energia solar recebida da superfície para a atmosfera. Esses três processos transferem o equivalente a 53% da energia solar recebida para a atmosfera.
A fração restante (5-6% da energia solar recebida) é transferida para a atmosfera quando as moléculas de gases de efeito estufa absorvem a energia infravermelha térmica irradiada pela superfície. Quando as moléculas de gases de efeito estufa absorvem a energia térmica infravermelha, sua temperatura aumenta.
Como as moléculas de gases de efeito estufa irradiam calor em todas as direções, parte dele se espalha para baixo e, finalmente, volta a entrar em contato com a superfície da Terra, onde é absorvida. A temperatura da superfície torna-se mais quente do que seria se fosse aquecida apenas por aquecimento solar direto.