A Máquina de Calor Atmosfera-Oceano
Como uma síntese dos processos radiativos e de energia na atmosfera falaremos a seguir do quanto os balanços de radiação e energia estão de acordo na média no sistema climático. Como mostra a figura I, a radiação solar de chegada não é toda usada pelo sistema climático. Uma fração substancial (da ordem de 30%) da radiação solar incidente é refletida pelas nuvens e numa porção menor pela superfície da Terra, e então, não participa na máquina de calor atmosférica. Dos outros 70%, 20% é absorvido pela atmosfera e 50% pelos oceanos e pelo solo. Essa última quantidade será usada parcialmente para manter o ciclo hidrológico através da evaporação (24%) e então aquecer a atmosfera indiretamente através da condensação de água, e parcialmente aquecer a atmosfera diretamente através do fluxo de calor sensível (6%). Os 20% restantes serão usados para aquecer a camada subsuperficial, e será perdido mais tarde como radiação infravermelha para a atmosfera (14%) e na janela espectral (8-12μm) para fora no espaço (6%).
O calor absorvido pela atmosfera é usado para aumentar a energia interna e potencial a qual irá parcialmente (menos que 1%) ser convertida em energia cinética para manter as circulações geral atmosférica e oceânica contra fricção. Finalmente, a atmosfera radiará para fora do espaço em torno de 64% como radiação infravermelha, fechando o ciclo de energia.
Disponibilidade de Energia na Atmosfera
Já é sabido que as mais altas temperaturas ocorrem nas baixas latitudes perto da superfície da Terra e as mais baixas temperaturas nas altas latitudes na atmosfera superior. Além disso, a atmosfera age como uma veículo de transporte de calor em direção aos polos e para cima. Assim, a atmosfera pode ser reconhecida como uma máquina de calor com, num todo, fluindo calor das fontes quentes para os sumidouros frios. O trabalho realizado pela máquina atmosférica é usado para manter a energia cinética das circulações contra um dreno contínuo de energia por dissipação de fricção.
Mesmo num caso ideal de uma máquina de Carnot, a eficiência da máquina de calor poderia ser mais baixa do que a diferença entre a temperatura da fonte quente TW e do que a do sumidouro frio TC relativamente pequena comprada com a temperatura da fonte quente. Assim a quantidade de energia cinética gerada pela máquina de calor tem de ser pequena comparada com a energia potencial mais a energia interna.
Somente uma fração da energia interna mais a energia potencial na atmosfera está disponível para ser convertida em energia cinética, enquanto maioria da energia potencial não é usual. Esembora a energia potencial numa atmosfera barotrópica pode ser muito alta, a capacidade de gerar energia cinética não exista pois os mecanismos necessários para a conversão não são apresentados. De fato, numa atmosfera barotrópica a força gradiente de pressão horizontal é zero em todo lugar, e mais ainda se a atmosfera está em equilíbrio hidrostático, não há conjunto de força vertical desde que a componente vertical do gradiente de pressão está exatamente compensada pela força da gravidade. Tal atmosfera contém uma grande quantidade de energia potencial mas não está disponível para a conversão em energia cinética. usando os conceitos da teoria de disponibilidade podemos dizer que tal atmosfera está num estado “morto”.
Entretanto, a atmosfera atual é baroclínica e está num equilíbrio quase hidrostático. Assim dentro da atmosfera real, há várias regiões ou subsistemas com uma distribuição não uniforme de temperatura nos níveis isobáricos. Usando a terminologia da teoria da disponibilidade podemos dizer que há muitos subsistemas num estado “vivo” e que a atmosfera como um todo está num estado “vivo”. Como a atmosfera não é um sistema completamente uniforme (canônico) continuamente envolverá muitos estados naturais diferentes, cada um tendo uma energia potencial diferente. Quando a atmosfera vai do estado natural para um outro há uma mudança na energia potencial total, e assim a energia cinética também é criada ou destruída. Somente a diferença na enerdia potencial é envolvida no processo de transformação e está assim disponível para ser convertida em energia cinética.
O conceito de energia potencial disponível pode ser agora definido com relação a um estado ideal da atmosfera com um mínimo de energia potencial total. Na verdade, este estado está baseado na conservação de massa e na sua redistribuição através de processos isentrópicos. Sob certas condições a soma das energias interna, potencial e cinética é invariante.
A operação atual da circulação geral conduz a um esgotamento contínuo da energia potencial disponível. Sua manutenção então necessita certos mecanismos para restaurar as perdas e, assim, assegurando a existência de regiões vivas na atmosfera. Para mostrar que estes mecanismos estão principalmente associados com o aquecimento não uniforme da atmosfera vamos considerar uma atmosfera morta. Se esta atmosfera pudesse ser aquecida uniformemente, sua energia potencial total poderia aumentar mas não poderia estar disponível porque a estrutura atmosférica poderia permanecer barotrópica. Por outro lado, se pudéssemos manter a quantidade total de energia potencial constante, mas adicionar e subtrair calor diferencialmente, subsistemas vivos poderiam ser gerados e disponibilidade poderá ser produzida. Em outras palavras, embora a atmosfera possa ser inicialmente barotrópica ela poderá mais tarde se tornar baroclínica e então as circulações poderão se desenvolver (teorema de Bjerknes). Então, para manter a circulação geral da atmosfera viva é preciso gerar continuamente energia potencial disponível através do aquecimento de regiões quentes e resfriamento de regiões frias.
