alt=Sun-Earth Logarithmic Spectrums with Accurate Scaling.svg|miniaturadaimagem|Intensidade espectral da luz solar (média no topo da atmosfera) e radiação térmica emitida pela superfície da Terra. 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.
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. 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.
O 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).
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. 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 atmosférica.
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 ).
Balanço energético planetário alt=Earth's heating rate since 2005.jpg|miniaturadaimagem|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). A radiação de ondas longas de saída (OLR) constitui um componente crítico do .
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 (EEI):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).
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.
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.
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. Pode levar de décadas a séculos para que os oceanos aqueçam e a temperatura planetária mude o suficiente para compensar um desequilíbrio energético.
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, (medido em W/m2) é dado pela lei de Stefan-Boltzmann para matéria sem corpo negro:Onde é a temperatura absoluta, é a constante de Stefan-Boltzmann, e 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.
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. De acordo com a , a emissividade da matéria é sempre igual à sua absortividade, em um determinado comprimento de onda. Em alguns comprimentos de onda, os gases de efeito estufa absorvem 100% da radiação de ondas longas emitida pela superfície.
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.
Absorção atmosférica A atmosfera é relativamente transparente à radiação solar, mas é quase opaca à radiação de ondas longas. A atmosfera normalmente absorve a maior parte da radiação de ondas longas emitida pela superfície. 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.
Quando absorvida, a energia transmitida por essa radiação é transferida para a substância que a absorveu. 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.
Janela atmosférica Supondo que não haja cobertura de nuvens, a maioria das emissões da superfície que chegam ao espaço o faz por meio da . 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).
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. , D20106. Web page A absorção da radiação de ondas longas pelos gases depende das bandas de absorção específicas dos gases na atmosfera. 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. 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 ) 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.
Dia e noite A radiação líquida de todas as ondas é dominada pela radiação de ondas longas durante a noite e nas regiões polares. 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 alt=Spectral Greenhouse Effect.png|miniaturadaimagem|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. 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.
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.
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.