A Física do deserto

    Os efeitos meteorológicos são muito complexos, pois envolvem muitos efeitos e variáveis. Uma pequena lista incluiria radiação solar, vento, condensação e evaporação, variação da pressão, efeito estufa, chuva, relevo do solo, superfícies líquidas e tipo de vegetação. Por isso, poucos efeitos atmosféricos podem ser explicados apenas por um ou por alguns processos físicos. Alguns aspectos do clima do deserto estão entre eles. Mas antes de vermos esses aspectos, vamos ver alguns efeitos gerais que explicam o clima na Terra.


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    O Sol esquenta a Terra, mas como ela se esfria?

    A Terra é mantida aquecida basicamente pela radiação emitida pelo Sol, responsável por mais do que 99,95% da energia que nos aquece. (O restante vem principalmente da radiatividade natural. Há, ainda, um tantinho de calor que vem do movimento das marés, do calor primordial de formação da Terra e da queima de combustíveis fosseis.)
    Ao meio-dia de um dia de verão, a superfície da Terra recebe cerca de um quilowatt de energia do Sol por metro quadrado, na forma de radiação. Cerca da metade da energia dessa radiação está na faixa de comprimento de onda que chamamos de infravermelho, pouco menos do que a metade no visível e perto de 3% dela, no ultravioleta.
    É essa radiação que mantém a Terra aquecida. Se você quiser ter uma ideia de quanto é essa energia, 1 kW por metro quadrado, compare-a com outras fontes de energia mais familiares. Esse valor é próximo da energia produzida por um bico de gás aceso na cozinha, por um forno doméstico na posição mais baixa ou por um secador de cabelo ao aquecer o ar que expele. Mas a potência média da energia que a Terra recebe do Sol é, claro, menor do que aquele 1 kW/m2 de um dia ensolarado de verão, pois há dia e noite e diferentes regiões da Terra recebem diferentes quantidades de radiação do Sol. Além disso, perto de 20% da energia solar que incide na Terra é refletida pela atmosfera. Assim, a média da energia recebida e absorvida pela Terra, aí incluída a atmosfera, é da ordem de 350 W/m2.
    Mas, como a Terra se esfria? Afinal, se ela apenas recebesse energia e não tivesse forma alguma de se livrar dela, iria se aquecendo indefinitivamente.
Como a Terra não está encostada em nada, para perder energia por condução, nem existe algum gás interplanetário para nos resfriar por convecção, nem a Terra pode perder calor evaporando água (que é o que fazemos ao suar) (1) , a única forma que ela tem de perder energia é a mesma forma que recebe energia: por radiação. Como a temperatura média da Terra é mais ou menos constante ao longo do tempo, então ela deve emitir exatamente o mesmo tanto que recebe: 350 W/m2.
    A diferença entre a radiação que a Terra recebe e emite é apenas quanto aos comprimentos de onda. A curva vermelha da figura mostra como se distribui a energia recebida pela Terra pelos diferentes comprimentos de onda da radiação. Mas como a superfície da Terra é bem mais fria que a superfície do Sol, ela emite radiação distribuída em outras faixas de frequência: é isso que é indicado pela curva azul da figura.

    A Terra recebe radiação solar que tem um valor máximo na região do visível, cujo comprimento de onda está na faixa entre 400 nm (2) e 700 nm, aproximadamente. Mas a radiação emitida por ela só é significativa depois dos 5.000 nm e atinge um máximo próximo dos 1500 nm, correspondendo ao infravermelho.
    É assim que a Terra se esfria: mantendo um equilíbrio entre a energia que recebe e que emite. Afinal, não haveria outra forma da Terra perder energia, afinal ela está isolada, sem contato com nada.

Efeito estufa

    A temperatura média da superfície da Terra é da ordem de 15º C. Em geral, as noites são mais frias e os dias, mais quentes. Mas se a Terra não tivesse atmosfera alguma e continuasse refletindo uma terça parte da radiação que recebe, sua temperatura média seria bem inferior ao que é hoje, perto dos 5º C e nós, provavelmente, não estaríamos aqui para saber disso.
O que garante que a temperatura próxima à superfície da Terra seja acima daquele valor médio que seria na ausência da atmosfera é o chamado efeito estufa. Embora tenha muitos efeitos, o principal deles é o seguinte: a Terra recebe radiação principalmente na faixa do visível e do infravermelho de menor comprimento de onda (veja a figura anterior) e ela atravessa, em grande parte, a atmosfera; mas a irradiação ocorre em comprimentos de onda muito maiores (veja novamente a figura) e nestes comprimentos de onda a atmosfera é menos transparente. Consequentemente, boa parte da radiação emitida pela superfície é absorvida pela atmosfera e reemitida novamente, tanto de volta em direção do solo como “para fora”. É esse efeito que faz com que a superfície da Terra seja mais quente, em média, do que seria na ausência da atmosfera. Embora muitos gases da atmosfera contribuam para esse efeito, é o vapor de água (água na forma de gás) o principal deles.
Não fosse a atmosfera, e principalmente sua parte em apor de água, nosso planeta seria mais ou menos como é a Lua, onde a temperatura pode passar dos 100º C quando bate sol e cai abaixo de  100º C durante a noite lunar. Mais ainda: as diferenças de temperatura entre os polos e o equador terrestre seriam muito maiores do que é hoje, pois o movimento das massas de ar e, portanto, da existência da atmosfera, contribui para reduzi-las.

Ao lado esquerdo da figura, está uma fotografia obtida com radiação eletromagnética na faixa do visível; ao lado direito, a mesma imagem obtida com radiação na faixa do infravermelho. No caso da fotografia no infravermelho, as cores são artificiais; a cor amarela do rosto do homem corresponde a uma temperatura de aproximadamente 34º C, temperatura típica da pele humana em situação confortável; a cor azul, a 23º C. Nessa faixa de temperatura, a radiação infravermelha emitida tem comprimento de onda próxima do 10 μm. (μm é a abreviatura de micrometro, igual a um milionésimo de metro.)
Note que o saco de plástico é opaco no visível, mas transparente no infravermelho. Outros materiais têm comportamento inverso: são transparentes no visível, mas opacos no infravermelho, como as lentes dos óculos.

Em resumo, a atmosfera, e em particular a água nela contida, contribui para que a temperatura não caia muito durante a noite. A presença de nuvens, as quais contribuem para que parte da radiação solar seja refletida antes de atingir o solo, e a água da superfície, presente não apenas nos rios e lagos, mas, também, no solo e nas plantas, evitam que os dias sejam, muito quentes. Agora, vamos para o deserto.

    Desertos

    Nas regiões desérticas, o céu sem nuvens é incapaz de bloquear a radiação solar. Consequência: a insolação, durante o dia, é maior do que nas outras regiões. Isso, certamente, contribui para os dias quentes dos desertos.
Mas tem mais. Em um dia ensolarado, quando pisamos descalços em um chão de cimento, asfalto ou pedra ou na areia seca da praia, queimamos os pés. Mas se pisamos sobre a grama ou na areia molhada da praia, a temperatura é mais suportável ou mesmo, agradável, pois parte da energia solar é gasta para evaporar a água e, consequentemente, o chão fica menos quente. Mas esse efeito não existe em um deserto.
Consequência: os dias podem ser muito quentes.
Mas e por que as noites dos desertos podem ser frias? Novamente, pela pouca umidade. Como a atmosfera é muito seca, não há muitas moléculas de água para absorver a radiação infravermelha e reemitir, parte dela, de volta para o solo. A consequência é o resfriamento mais rápido do solo quando o sol se põe. Assim, as diferenças de temperatura entre o dia e a noite são maiores do que aquelas que estamos acostumados nas demais regiões. No deserto do Atacama, as noites podem ser tão frias quanto  20º C e os dias tão quentes como 30º C, chegando a 40º C no verão, uma diferença de temperatura entre dia e noite bem maior do que aquelas que estamos acostumados.
Mas, às vezes, em algumas regiões temos clima que lembra – felizmente, apensa lembra – o dos desertos. Se você observar bem, nos dias muito secos, em vários lugares do Brasil, a temperatura pode ser relativamente alta durante o dia, mesmo se no inverno, e, à noite, cair rapidamente e intensamente. A razão é a mesma daquela dos desertos: ar seco. A ausência de nuvens faz com que a insolação seja intensa e, consequentemente, o dia seja quente; a ausência de umidade faz com que durante a noite a irradiação do solo faça-o perder energia e esfriar-se rapidamente.

Fazendo contas

Todas as coisas emitem e absorvem energia sob a forma de ondas eletromagnéticas. O Sol, cuja temperatura na superfície é pouco superior a 5.000º C, emite radiação próxima do visível e do ultravioleta. O solo, nosso corpo, as paredes, o teto, o sofá, a mesa e tudo o mais que esteja a uma temperatura próxima da temperatura ambiente emitem radiação cujo comprimento de onda dominante está próximo dos 10 μm.
Você pode, então, pensar no seguinte: se a Terra emite em média perto do 350 W por metro quadrado de radiação, então uma pessoa, cuja temperatura da pele é ainda maior do que a temperatura média da Terra deve emitir muito mais. Sim, isso é verdade. Nossa pele, sem a proteção da roupa, emite perto de 500 W/m2; como temos uma superfície corporal da ordem de 1,5 m2 a 2,0 m2, dependendo de pessoa para pessoa, então emitimos uma quantidade de energia na forma de radiação no infravermelho que pode chegar perto do 1.000 W! Isso pode parecer muito. Mas nós estamos em um ambiente que, ele todo, também emite radiação. Portanto, embora nossa taxa de emissão seja de várias centenas de watts, o ambiente também emite radiação, que nós absorvemos. Assim, ficam elas por elas: emitimos centenas de watts de radiação e recebemos o mesmo tanto! Mas isso fica para uma discussão sobre os mecanismos de refrigeração do corpo humano, que incluem, além de irradiação, condução, convecção e suor.
Vamos fazer contas. A emissão de energia por uma superfície depende de sua temperatura e de um coeficiente chamado de coeficiente de absorção. Um material que seja capaz de absorver totalmente a luz em qualquer comprimento de onda tem um coeficiente de absorção igual a um. Para materiais assim, a potência emitida por metro quadrado, P, depende apenas da temperatura da superfície. No Sistema Internacional de Unidades, (SI), ela é dada aproximadamente por P=5,7•10-8•T^4 (temperatura à quarta potência), onde T é a temperatura medida em kelvins (lembre-se que a temperatura em kelvins é igual à temperatura em graus célsius mais 273) e P é dado em W/m2. Você pode usar essa equação para estimar com boa precisão a potência emitida por um corpo qualquer.
Há dois detalhes. Um deles é o seguinte. Alguns corpos, como os metais polidos, por exemplo, emitem menos do que a fórmula acima indica. No infravermelho, radiação correspondente às temperaturas das coisas do dia-a-dia, alguns materiais emitem apenas 5% ou 10% do que aquela fórmula indica. Por sinal, esses materiais também absorvem apenas 5% a 10% da radiação que incide sobre eles. Essas frações, 0,05 ou 0,10, são os chamados coeficientes de absorção ou emissão dos materiais.
Mas muitos materiais do nosso dia-a-dia, como os tecidos, as paredes, os móveis de madeira, a pele humana, a areia da praia, o papel, a água líquida, o gelo e a neve, têm coeficientes de absorção e emissão bem próximos de um. Assim, se você não estiver preocupado com cálculos exatos, pode usar a equação acima para estimar a energia emitida por qualquer material que não seja um metal polido. (Caso você esteja interessado em cálculos mais detalhados, você achará facilmente  na rede de computadores os coeficientes de emissividade dos diferentes materiais.)

Comentário adicional sobre muros quentes
Talvez você já tenha sentido o seguinte efeito. Ao passar ao lado de um muro que recebeu sol por algumas horas, em especial em um final de tarde com o Sol já meio escondido, sentimos como que um “calor” emanando dele. O que sentimos, de fato, é a radiação infravermelha emitida por ele, que se destaca da radiação emitida pelas outras coisas ao redor, que estão mais frias.

(1)  A água superficial evaporada vai para a atmosfera e, mais cedo ou mais tarde, acaba caindo novamente, na forma de chuva ou neve.
(2)  Nanômetro, correspondente a um bilionésimo de metro.

Você encontra mais coisas do mesmo tipo no livro Um pouco da Física do Cotidiano. Para ver o índice, clique aqui.