Radiação solar e fusão H > He

Introdução

Atmosfera terrestre

Radiação solar e balanço energético

A radiação solar é feita de energia eletromagnética emitida pelo Sol. Essa energia inclui uma ampla gama de comprimentos de onda, abrangendo:

1. Luz visível: A faixa que podemos ver a olho nu, responsável pela luz do dia.
2. Infravermelho: Associado ao calor que sentimos.
3. Ultravioleta (UV): Radiação que pode causar queimaduras solares e outros efeitos na pele.
4. Outras radiações: Como micro-ondas, ondas de rádio e raios X (em quantidades muito menores).

A radiação solar é, em essência, a energia liberada pelas reações de fusão nuclear que ocorrem no núcleo do Sol. Nesse processo, hidrogênio (H) é convertido em hélio (He), liberando enormes quantidades de energia. Essa energia é emitida na forma de radiação, que viaja pelo espaço e atinge a Terra, fornecendo a luz e o calor que sustentam a vida.

Portanto, o hélio está relacionado à radiação solar porque é um dos produtos da fusão nuclear que gera a energia que se transforma em radiação solar. Mas o hélio em si não faz parte da radiação; ele é um elemento químico, enquanto a radiação solar é a energia emitida pelo Sol.

Como fonte de energia para manutenção do equilíbrio energético da Terra e da vida nos ecossistemas, a radiação solar tem relação fundamental com:

• aquecimento do ambiente
• evaporação
• transpiração
• fotossíntese

Um dos principais elementos meteorológicos e seu estudo envolve as relações entre a Terra e o Sol e as leis da radiação.

Esses conceitos são a base para o entendimento do:

• balanço de radiação e energia de ecossistemas naturais e urbanos
• formação das ilhas de calor nas grandes cidades
• efeito estufa
• mudanças climáticas

Efeitos da Atmosfera sobre a Radição Solar

Nem toda a radiação solar incidente no limite superior da atmosfera chega à superfície terrestre

Vários fenômenos atmosféricos afetam a trajetória e a intensidade da radiação solar. Abaixo estão explicações sobre esses fenômenos:

1. Reflexão:
   • Parte da radiação solar é refletida de volta para o espaço por superfícies como nuvens, partículas na atmosfera (como aerossóis) e a própria superfície da Terra (especialmente regiões cobertas de neve e gelo, que têm alto albedo). Esse processo impede que a radiação atinja a superfície terrestre.
2. Absorção:
   • A atmosfera contém gases como vapor de água, dióxido de carbono e ozônio, que absorvem parte da radiação solar, principalmente nas faixas de radiação ultravioleta, infravermelha e de micro-ondas. Essa absorção aquece a atmosfera, mas reduz a quantidade de radiação que chega à superfície.
3. Refração:
   • A refração é a mudança na direção da radiação solar quando ela passa de um meio para outro com densidade diferente, como ao atravessar camadas da atmosfera com variação de densidade. Embora a refração não reduza a quantidade de radiação que chega à superfície, ela altera a trajetória dos raios solares, o que pode afetar a distribuição da luz.
4. Dispersão:
   • A dispersão ocorre quando a radiação solar interage com moléculas de gases e partículas na atmosfera, espalhando a luz em várias direções. A dispersão é responsável pelo céu azul durante o dia (dispersão de Rayleigh) e pelos tons avermelhados ao amanhecer e entardecer. Esse fenômeno faz com que parte da radiação seja redirecionada, reduzindo a quantidade que chega diretamente à superfície.
5. Difração:
   • A difração é a dispersão da luz ao passar por pequenas partículas ou bordas, como gotas de água em nuvens ou partículas de poeira. Embora a difração tenha um efeito menor em termos de quantidade de radiação solar, ela pode influenciar a distribuição da luz e a formação de halos e outras formas ópticas atmosféricas.

Esses fenômenos combinados influenciam a quantidade e a qualidade da radiação solar que atinge a superfície da Terra, afetando o clima, a temperatura e os padrões de luz diários que experimentamos.

Como a radiação solar interage com a matéria?

Ao incidir sobre um corpo, a radiação solar pode ser refletida, absorvida ou transmitida

• reflexao
• absorção
• transmissao

Ondas são definidas coo movimento oscilatório que se propaga num meio, sendo que nesses movimentos apenas a energia é transferia, isto é, não há transporte de matéria..
Comprimento de onda (lambida): distância entre dois picos sucessivos (metros e submúltiplos)

Propriedades da radiação eletromagnética

A radiação eletromagnética é uma forma de energia que se propaga através do espaço como ondas eletromagnéticas. Essas ondas são caracterizadas por propriedades específicas que influenciam como a radiação interage com a matéria e como é percebida. Aqui estão as principais propriedades da radiação eletromagnética:

1. Comprimento de Onda (λ)

• O comprimento de onda é a distância entre dois pontos sucessivos equivalentes de uma onda, como de um pico ao próximo pico. Ele determina o tipo de radiação no espectro eletromagnético. Por exemplo:
  • Rádio: comprimento de onda longo
  • Micro-ondas
  • Infravermelho
  • Luz visível: comprimento de onda intermediário
  • Ultravioleta
  • Raios X
  • Raios gama: comprimento de onda curto

2. Frequência (fff)

• A frequência é o número de ciclos de onda que passam por um ponto específico por segundo. É medida em hertz (Hz). A frequência está inversamente relacionada ao comprimento de onda — ondas com comprimentos de onda curtos têm frequências altas, e vice-versa.

3. Velocidade (ccc)

• No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas viajam à mesma velocidade, conhecida como a velocidade da luz (ccc), que é aproximadamente 3×1083 \times 10^83×108 metros por segundo (m/s). A relação entre velocidade, frequência e comprimento de onda é dada pela equação c=λ×fc = \lambda \times fc=λ×f.

4. Energia (EEE)

• A energia de uma onda eletromagnética é proporcional à sua frequência e é dada pela equação E=h×fE = h \times fE=h×f, onde hhh é a constante de Planck. Assim, radiações de alta frequência, como raios X e raios gama, têm mais energia do que radiações de baixa frequência, como ondas de rádio.

5. Polarização

• Polarização refere-se à orientação das oscilações do campo elétrico de uma onda eletromagnética em relação à direção de propagação. A luz polarizada, por exemplo, tem suas ondas oscilando em uma única direção, o que pode ser filtrado ou modificado por materiais polarizadores.

6. Intensidade

• A intensidade da radiação eletromagnética está relacionada à quantidade de energia que a onda transporta por unidade de área por unidade de tempo. A intensidade pode afetar a capacidade de uma radiação em causar efeitos, como aquecimento ou ionização.

7. Interação com a Matéria

• Absorção: A matéria pode absorver radiação, convertendo-a em outras formas de energia, como calor.
• Reflexão: A radiação pode ser refletida por superfícies, dependendo da frequência e das propriedades do material.
• Refração: A radiação pode mudar de direção ao passar de um meio para outro com densidades diferentes.
• Dispersão: A radiação pode ser espalhada ao interagir com partículas ou moléculas.
• Difração: A radiação pode se curvar ao redor de obstáculos ou passar por pequenas aberturas.

8. Dualidade Onda-Partícula

• A radiação eletromagnética exibe características tanto de ondas quanto de partículas (fótons). Esse comportamento dual é fundamental para a compreensão de fenômenos como a difração e o efeito fotoelétrico.

Essas propriedades são fundamentais para a compreensão de como a radiação eletromagnética se comporta e interage com o mundo ao nosso redor, influenciando desde a transmissão de sinais de comunicação até os efeitos biológicos da exposição à radiação.

Efeito da radiação sobre as plantas

A radiação solar que atinge a Terra inclui várias faixas de luz no espectro eletromagnético, cada uma com diferentes efeitos sobre as plantas. A seguir, uma descrição das principais faixas de luz, incluindo as que são benéficas e as que podem ser prejudiciais:

1. Luz Ultravioleta (UV)

• Faixa UV-C (100-280 nm):
  • Efeitos: Extremamente prejudicial para a vida, incluindo plantas, mas é totalmente absorvida pela camada de ozônio da Terra e, portanto, não atinge a superfície.
  • Benefício para plantas: Nenhum, pois não chega à superfície.
  • Prejudicial: Se chegasse à superfície, poderia causar danos severos ao DNA das plantas.
• Faixa UV-B (280-315 nm):
  • Efeitos: Pode causar danos ao DNA, proteínas e membranas celulares, levando a estresse oxidativo e, em alguns casos, à redução do crescimento das plantas.
  • Benefício para plantas: Em pequenas doses, pode induzir a produção de compostos de defesa e aumentar a resistência a patógenos.
  • Prejudicial: Exposição prolongada pode prejudicar a fotossíntese e reduzir a produtividade das plantas.
• Faixa UV-A (315-400 nm):
  • Efeitos: Menos energética que a UV-B, mas ainda pode causar algum dano em altas doses.
  • Benefício para plantas: Pode ajudar na síntese de certos pigmentos como antocianinas, que protegem contra a radiação e contribuem para a cor das plantas.
  • Prejudicial: Exposição excessiva pode causar estresse e afetar o crescimento.

2. Luz Visível (400-700 nm)

• Faixa Azul (400-500 nm):
  • Efeitos: Essencial para a fotossíntese e fotomorfogênese (regulação do crescimento e desenvolvimento).
  • Benefício para plantas: Fundamental para o crescimento saudável das plantas, regula a abertura dos estômatos e o direcionamento do crescimento (fototropismo).
  • Prejudicial: Nenhum efeito prejudicial conhecido em níveis normais.
• Faixa Verde (500-570 nm):
  • Efeitos: Embora menos absorvida pela clorofila, parte da luz verde é utilizada na fotossíntese, e também ajuda na penetração da luz nas folhas.
  • Benefício para plantas: Contribui para a fotossíntese e pode ajudar no crescimento em plantas sob sombra, onde a luz verde penetra mais profundamente nas folhas.
  • Prejudicial: Nenhum efeito prejudicial conhecido.
• Faixa Vermelha (600-700 nm):
  • Efeitos: Altamente benéfica para a fotossíntese e essencial para a regulação do florescimento em muitas espécies de plantas (fotoperiodismo).
  • Benefício para plantas: Crucial para a fotossíntese e desenvolvimento, especialmente no florescimento e frutificação.
  • Prejudicial: Nenhum efeito prejudicial conhecido em níveis normais.
• Faixa Vermelho-Longe (700-750 nm):
  • Efeitos: Atua em conjunto com a luz vermelha na regulação de processos como a germinação de sementes e floração, através do sistema de fitocromos.
  • Benefício para plantas: Importante para a regulação do ciclo de vida das plantas.
  • Prejudicial: Nenhum efeito prejudicial conhecido em níveis normais.

3. Luz Infravermelha (700 nm – 1 mm)

• Faixa Infravermelha Próxima (700-1400 nm):
  • Efeitos: Principalmente percebida como calor, não é absorvida pelas clorofilas, mas pode aquecer a planta e o ambiente ao seu redor.
  • Benefício para plantas: Pode ajudar a manter uma temperatura adequada em condições frias.
  • Prejudicial: Exposição excessiva pode causar estresse térmico, especialmente em ambientes fechados, como estufas.
• Faixa Infravermelha Média e Longa (1400 nm – 1 mm):
  • Efeitos: Associada ao calor, pode afetar a temperatura das folhas e do solo.
  • Benefício para plantas: Nenhum benefício direto em termos de fotossíntese.
  • Prejudicial: Pode causar aquecimento excessivo, levando ao estresse térmico e desidratação das plantas.

Resumo:

• Benéficas: Luz azul e vermelha (essenciais para a fotossíntese e desenvolvimento), UV-A (em pequenas doses para defesa).
• Neutras/Menor impacto: Luz verde (contribui para a fotossíntese em menor grau), infravermelho próximo (calor moderado).
• Prejudiciais: UV-B e UV-C (danos ao DNA e proteínas), infravermelho médio e longo (excesso de calor).

A radiação, especialmente a luz solar, tem um impacto significativo sobre as plantas, influenciando diversos processos biológicos e o desenvolvimento delas. Aqui estão alguns dos principais efeitos da radiação sobre as plantas:

1. Fotossíntese

• Luz visível: A fotossíntese é o processo pelo qual as plantas convertem a energia da luz solar em energia química, armazenada na forma de glicose. A luz, particularmente nas faixas azul (400-500 nm) e vermelha (600-700 nm) do espectro visível, é essencial para este processo.
• Efeito da intensidade luminosa: A intensidade da luz afeta a taxa de fotossíntese. Até certo ponto, maior intensidade de luz aumenta a taxa de fotossíntese, mas, após atingir um nível de saturação, a taxa se estabiliza.

2. Fotoperiodismo

• Percepção da luz: Plantas respondem ao comprimento do dia (fotoperíodo) para regular processos como floração, germinação e a queda de folhas. Algumas plantas são de “dia curto”, florescendo quando os dias são mais curtos, enquanto outras são de “dia longo” ou “neutras ao fotoperíodo”.
• Pigmentos fotossensíveis: O fotoperiodismo é controlado por pigmentos fotossensíveis como a fitocromo, que absorve luz vermelha e infravermelha, ajudando a planta a medir a duração do dia e da noite.

3. Efeitos do Ultravioleta (UV)

• Radiação UV-A e UV-B: Radiação ultravioleta, especialmente UV-B (280-315 nm), pode causar danos ao DNA das plantas, afetando o crescimento, a fotossíntese e a capacidade de reprodução. Em resposta, as plantas produzem compostos protetores, como flavonoides, que agem como filtros solares naturais.
• Mutações e estresse: Exposição excessiva à radiação UV pode induzir mutações e estresse oxidativo, o que pode prejudicar o desenvolvimento da planta e reduzir sua produtividade.

4. Efeito da Radiação Infravermelha (IR)

• Calor: A radiação infravermelha está associada ao calor e influencia a temperatura das folhas e do solo. Temperaturas elevadas podem afetar a taxa de transpiração, a eficiência da fotossíntese e, em casos extremos, levar ao estresse térmico.

5. Fotomorfogênese

• Luz e desenvolvimento: A radiação luminosa regula o desenvolvimento das plantas através da fotomorfogênese, que envolve respostas de crescimento não relacionadas à fotossíntese. Por exemplo, a luz azul é fundamental para o crescimento direcional das plantas (fototropismo) e a abertura dos estômatos.
• Controle da germinação: A luz também pode influenciar a germinação de sementes, com algumas espécies requerendo luz para germinar (sementes fotoblásticas positivas), enquanto outras precisam de escuridão (sementes fotoblásticas negativas).

6. Efeito do Sombreamento

• Competição por luz: Em ambientes sombreados, as plantas podem alongar seus caules em busca de luz, um fenômeno conhecido como estiolamento. O sombreamento também pode reduzir a fotossíntese, limitando o crescimento e a produção de biomassa.

7. Efeito da Poluição e da Radiação Artificial

• Poluição luminosa: Radiação artificial, como luzes noturnas, pode interferir com o fotoperiodismo, afetando o ciclo de crescimento e reprodução das plantas.
• Radiação ionizante: Exposição a radiações ionizantes, como raios gama ou raios X, pode causar danos ao DNA e outros componentes celulares, resultando em mutações, morte celular e redução na viabilidade da planta.

A radiação desempenha um papel essencial no ciclo de vida das plantas, desde a germinação até a reprodução. Compreender esses efeitos é fundamental para a agricultura, horticultura e conservação da vegetação natural.

Balanço da energia radiante

O balanço da energia radiante é um conceito crucial para entender como a Terra mantém seu clima e temperatura. Ele descreve o equilíbrio entre a energia que a Terra recebe do Sol e a energia que a Terra emite de volta para o espaço. Esse equilíbrio determina o clima global e a temperatura média do planeta. Aqui está uma visão geral desse processo:

1. Energia Solar Incidente

• Radiação Solar: A Terra recebe energia do Sol na forma de radiação eletromagnética. Cerca de 340 W/m² (watts por metro quadrado) de energia solar atinge o topo da atmosfera da Terra, em média.
• Espectro da Radiação Solar: Essa energia inclui luz visível, ultravioleta e infravermelho. Aproximadamente 30% dessa radiação é refletida de volta para o espaço (principalmente por nuvens, partículas na atmosfera e superfícies altamente refletivas como neve e gelo), enquanto os restantes 70% são absorvidos pela atmosfera, oceanos e superfície terrestre.

2. Absorção de Energia

• Superfície Terrestre: A maior parte da radiação solar que atinge a superfície terrestre é absorvida pelos oceanos, solo e vegetação. Essa energia aquece a superfície da Terra.
• Atmosfera: A atmosfera também absorve parte da radiação solar diretamente, principalmente nas faixas de radiação ultravioleta e infravermelha.

3. Emissão de Energia

• Radiação Térmica: Após absorver energia solar, a Terra aquece e emite energia de volta ao espaço na forma de radiação infravermelha (energia térmica). A quantidade de energia emitida depende da temperatura da superfície e da atmosfera terrestre.
• Gases de Efeito Estufa: Gases como dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) e vapor d’água na atmosfera absorvem parte dessa radiação infravermelha e reemitem-na em todas as direções, incluindo de volta para a superfície da Terra. Esse processo é conhecido como efeito estufa, e ele ajuda a manter o planeta mais quente do que estaria sem esses gases.

4. Balanço de Energia

• Equilíbrio Dinâmico: O balanço da energia radiante é mantido quando a quantidade de energia solar absorvida pela Terra é igual à quantidade de energia térmica emitida de volta para o espaço. Se mais energia é absorvida do que emitida, a Terra aquece; se mais energia é emitida do que absorvida, a Terra esfria.
• Impacto das Atividades Humanas: A emissão de gases de efeito estufa e a alteração de superfícies refletivas, como o desmatamento e a urbanização, têm perturbado esse equilíbrio, contribuindo para o aquecimento global e mudanças climáticas.

5. Feedbacks Climáticos

• Albedo: Mudanças no albedo da Terra (capacidade de refletir luz) podem afetar o balanço de energia. Por exemplo, a diminuição das geleiras e calotas polares reduz o albedo, fazendo com que mais energia seja absorvida e aumentando o aquecimento global.
• Feedbacks Positivos e Negativos: Mecanismos como o aumento da evaporação (que pode formar mais nuvens e aumentar a reflexão da radiação solar) ou o derretimento do gelo (que reduz o albedo) podem amplificar ou mitigar os efeitos das mudanças no balanço energético.

6. Radiação de Onda Longa e Curta

• Onda Curta: Refere-se à radiação solar recebida, principalmente na forma de luz visível e ultravioleta.
• Onda Longa: Refere-se à radiação infravermelha emitida pela Terra após absorver a radiação solar.

Resumo:

O balanço da energia radiante é essencial para manter a temperatura da Terra em níveis que permitem a vida. Qualquer desequilíbrio pode levar a mudanças significativas no clima global, como aquecimento global ou períodos de resfriamento. A compreensão desse balanço é crucial para prever e mitigar os impactos das mudanças climáticas.