Aquecimento global e balanço energético da Terra

Por Marco Gonzalez

Ilustração artística (fora de escala) mostrando, além da Lua (à direita), o Sol amarelo, enviando sua colossal energia, e a Terra azul, tratando de sobreviver a este relacionamento ao mesmo tempo acolhedor e mortal.

(Crédito: copernicus_iStock, 2024).

O balanço energético do sistema terrestre é afetado por reflexões, absorções ou reenvios da radiação de ondas eletromagnéticas solares que chegam à Terra determinando sua temperatura global.

1. Balanço energético da Terra

A energia solar move o sistema climático da Terra aquecendo o nosso planeta, impulsionando a fotossíntese, estimulando a evaporação e derretendo a neve e o gelo. Do Sol, chegam ao topo da atmosfera terrestre 340 watts/m² de radiação

Radiação: propagação de energia na forma de luz, por meio de ondas eletromagnéticas de diferentes comprimentos de onda, normalmente medida em quilowatts-hora por área (m²). Pode ser capturada e transformada em formas úteis de energia, como calor e eletricidade.

que pode ser, então, refletida, absorvida e reenviada por meio de ondas eletromagnéticas.

Onda eletromagnética: onda formada por um campo magnético variável que induz um campo elétrico variável e vice-versa. Pode viajar não apenas pelo ar e por materiais sólidos, mas também pelo vácuo do espaço. Este tipo de onda é explicado pela teoria desenvolvida nas décadas de 1860 e 1870 pelo cientista escocês James Clerk Maxwell (1831-1879), que trata da relação entre eletricidade e magnetismo.

Duas leis da física fundamentam o entendimento sobre a radiação emitida pelo Sol e pela Terra:

• A lei de Stefan-Boltzmann, que foi descoberta experimentalmente, em 1879, pelo físico e matemático austro-esloveno Jožef Stefan (1835-1893) e derivada na teoria da termodinâmica, em 1884, pelo físico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906). De acordo com esta lei da física, todos os corpos com temperaturas acima do zero absoluto (0 K ou -273 °C) emitem radiação a uma taxa proporcional à sua temperatura.
• A lei do deslocamento de Wien, que foi desenvolvida, em 1893, pelo físico alemão Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (1864-1928). De acordo com esta segunda lei da física, quanto maior a temperatura de um corpo, mais rapidamente as moléculas vibrarão e menor será o comprimento da onda eletromagnética da radiação correspondente. 

Assim, o Sol emite radiação em comprimentos de onda mais curtos (ultravioleta,

Radiação ultravioleta (UV): radiação na faixa do espectro eletromagnético entre 0,1 e 0,4 micrômetro. Pode ser: (UV-C) radiação ultravioleta C, na faixa de 0,1 a 0,28 micrômetro, bloqueada pela camada de ozônio; (UV-B) radiação ultravioleta B, na faixa de 0,28 e 0,315 micrômetro, principal causa de câncer de pele, queimaduras solares e catarata; ou (UV-A) radiação ultravioleta A, na faixa de 0,315 e 0,4 micrômetro, possível causa de câncer de pele.

visível

Radiação visível: radiação na faixa do espectro eletromagnético entre 0,38 e 0,78 micrômetro, sobrepondo-se em parte com as radiação UV (que vai até 0,4 micrômetro) e infravermelha (que inicia em 0,76 micrômetro).

e uma pequena porção infravermelha

Radiação infravermelha: radiação na faixa do espectro eletromagnético estimada entre 0,76 e 1000 micrômetros.

do espectro eletromagnético)

Espectro eletromagnético: conjunto de regiões definidas de acordo com o comprimento de onda ou a frequência de ondas eletromagnéticas desde ondas de raios gama, de comprimentos de onda muito curtas, até ondas de rádio, muito longas.

enquanto a Terra (mais fria que o Sol) emite em comprimentos de onda mais longos (infravermelha).

Representação esquemática do balanço energético da Terra mostrando transferências de energia.

As proporções são aproximadas.

(Imagens adaptadas de: science.nasa.budget, 2023 e baseadas em: NASAbudget; science.NASA; IPCC.ar4.wg1; RWU; NASAknows).

Na figura acima: 

• Dos 100% da radiação do Sol para a Terra (A), 
• 30% é refletida pelas nuvens (B) e pela superfície terrestre, principalmente pelo gelo e pela neve (C), e
• 70% é absorvida, parte pela Terra após atravessar a atmosfera, essencialmente por solo, água e vegetação (D), e parte pela atmosfera, por gases, poeira, outras partículas e vapor de água (E).
• Os 100% de radiação que retorna para o espaço
• são transferidos após reflexão (B e C) e
• após terem sido absorvidos (E e D), enviados pela atmosfera (F) e pela superfície terrestre (G).
• A radiação absorvida pela Terra (D) é
• transferida para o espaço (G) e
• para a atmosfera (I), onde é absorvida temporariamente. 
• Também é transferida para a atmosfera sendo enviada por evaporação,
  
  

  Evaporação: processo que ocorre quando as moléculas de água em estado líquido absorvem energia incidente e mudam de fase, passando para o estado gasoso. A evaporação dos oceanos tropicais e a consequente liberação de calor latente são os principais impulsionadores do motor térmico atmosférico que geram a movimentação do ar.

  
  
  incluindo o calor latente
  
  

  Calor latente: energia térmica necessária para evaporar a água. Esta energia fica latente nos movimentos aleatórios das moléculas de vapor de água enquanto se espalham pela atmosfera. Quando elas se condensam novamente em forma de chuva, o calor latente é liberado para a atmosfera circundante.

  
  
  (J) e por convecção
  
  

  Convecção: transferência de calor para longe da superfície, que ocorre quando o ar em contato direto com o solo aquecido pelo Sol se torna quente e mais flutuante e sobe. Em geral, a atmosfera é mais fria em altitudes mais elevadas.

  
  
  (K).
• Entre a atmosfera (devido aos gases de efeito estufa) e a superfície terrestre há troca de calor (H), quando a mesma energia entra neste ciclo várias vezes.
• A radiação da superfície terrestre, que sobe (H↑), é superior à da atmosfera, que desce (H↓), sendo a diferença igual à soma das irradiações para o espaço (G) e para a atmosfera (I, que é uma porção que não retornará para a Terra, sendo reenviada para o espaço incluída em F).

Como as regiões tropicais recebem mais calor radiante do que emitem (ao contrário dos polos), para equilibrar, ≈20% do calor dos trópicos é transferido para os polos por meio das circulações oceânica e atmosférica, incluindo sistemas de tempestades.

O balanço energético da Terra equilibrado mantém a temperatura da superfície estável e o nosso planeta habitável. Ao longo dos tempos, as desestabilizações deste balanço podem ser causadas por:

• alteração da quantidade de calor que entra no sistema climático terrestre devido à variação da intensidade da radiação solar;
• alteração da defasagem de tempo de retenção do calor entre a absorção da radiação pelo sistema climático terrestre e seu envio para o espaço; e/ou
• alteração da quantidade de calor que sai do sistema climático terrestre, ao refletir o que seria absorvido e vice-versa.

Referências:

[Rosenthal, 1992; nasa.gsfc, 1999; Schwartz, 2007; science.nasa.energy, 2009; Hansen et al, 2011; Schuttenhenlm, 2016; ipcc_chapter1, 2018; Lucas, 2019; Arpansa, 2020; Atkinson, 2021; Galindo, 2023; noaa.atmosphere.energy, 2023; WMO, 2023; ces.fau.nasa.radiation, 2023; ces.fau.nasa, 2023; Denchak, 2023; science.nasa.anatomy, 2023; science.nasa.radiation, 2023; Webb, 2023; Cruse, 2024; noaa.energy, 2024; theconversation, 2025; science.nasa.intro, 2025; Icnirp, 2026; UGC, 2026; UGCheat, 2026; noaa.measure, 2026]

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Leia: Aquecimento global: um caso de ressonância e colisões

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