A principal fonte de energia da Terra são fótons de alta energia produzidos por reações de fusão nuclear que ocorrem no Sol, de onde são emitidos isotrópicamente para o espaço, numa larga faixa de comprimentos de onda (Wieder, 1.982, pp. 19 a37).
Nos limites extremos da atmosfera, as radiações solares chegam em fluxo direcional à órbita terrestre, incidindo sobre uma superfície normal a sua direção com uma potência da ordem de 1,367 kW/m2 (constante solar). Portanto, a quantidade total de energia solar que incide anualmente sobre a Terra é igual ao produto da constante solar, pela área da projeção do globo terrestre sobre um plano normal às radiações, pelo número de horas do ano, como ilustra a figura 1 (Carvalho, 2.006):
Q = 1,367 kW/m2 x 1,269 x 1014 m2 x 8766 h/ano = 1,5 x 1018 kWh/ano.
Esta energia apresenta-se sob a forma de radiação eletromagnética, numa faixa de comprimentos de onda que vai desde os raios-X até as ondas de rádio, preponderando uma faixa mais estreita, entre o ultravioleta (~0,20 m a 0,30 m) e o infravermelho (~2.0 m a 2,5 m). A luz visível (~0,38 m a 0,75 m) fica entre ambas e corresponde a cerca de 50% do espectro incidente na Terra.
Do total que incide direcionalmente sobre a Terra, 30% são refletidos (albedo) pela camada extrema da atmosfera, sob a forma de radiações de onda curta, que compõem as franjas ultravioleta, violeta e azul do espectro.
Figura 3 Energia solar incidente sobre a Terra Limite da
atmosfera
3 a
3 b
Sol
Terra Projeção da Terra num plano
que passa por seu centro A = 1,269 x 1014 m2
Dos 70% restantes, pouco mais de 46% são absorvidos na superfície terrestre, degradando-se em calor à temperatura superficial dos continentes e oceanos. A energia degradada é reemitida isotropicamente pela Terra na forma de radiação de onda longa (faixa infravermelha), a freqüências muito menores do que a radiação incidente (V. figura 4). Como alguns gases da atmosfera (gás carbônico, vapor de água, etc), são semi-opacos às radiações infravermelhas, este fenômeno gera o efeito estufa, que mantém a temperatura média da atmosfera em torno de 15°C, possibilitando, entre outras coisas, a vida como a conhecemos.
Figura 4 Caminhos da energia incidente, até sua reemissão ao espaço
Aumentos anormais da concentração dos gases causadores do efeito estufa podem elevar a temperatura da atmosfera a níveis incompatíveis com a vida humana.
Aproximadamente 23% das radiações incidentes respondem pelo ciclo hidrológico (evaporação das águas e fenômenos de convecção, formação de nuvens, chuvas, nevadas, acumulação em geleiras, lagos e rios, etc.) e também acabam reemitidos na faixa térmica.
Armazenamento em plantas e animais
Combustíveis
fósseis Queima de combustíveis fósseis
Onda curta Onda longa
Radiação solar Q = 1,5x1018 kWh/ano Soma das reemissões terrestres Q = 1,5x1018 kWh/ano
Radiação refletida diretamente (albedo) ≈ 30%
Energia absorvida
Ciclo hidrológico (Evaporação, chuvas, acumulação em geleiras, etc.)
Ventos, ondas e correntes marítimas
Fotossíntese ≈ 0,02% Decomposição
Energia das marés
Gêiseres e vulcões
Radiação que penetra ≈ 70%
A energia armazenada por fotossíntese
(3,04·1011 MWh/ano) equivale quase
2,5 vezes o consumo mundial total,
que é de ~ 1,31·1011 MWh/ano.
Condução do calor próprio da Terra
Uma pequena parte (cerca de 0,15%) dá origem às ondas e aos ventos. Por fotossíntese, nas plantas, armazena-se 0,02% do total, ou seja, 3,04
·
1011 MWh/ano, o que equivale a quase 2,5 vezes o consumo anual de energia no mundo, o qual, somando-se todas as fontes, é da ordem de 1,31·
1011 MWh/ano (AIE, 2.006).A contribuição da energia própria da Terra (vulcões, gêiseres e calor do magma conduzido em rochas), em conjunto com a energia das marés (que tem origem na atração gravitacional exercida principalmente pela Lua sobre a Terra), equivale a apenas 0,018% da energia recebida do sol.
A energia solar que chega à Terra – somada ao calor gerado pela decomposição de plantas e animais, cuja formação resultou de energia solar que incidiu há milhões de anos – é reemitida na faixa térmica, juntamente com a energia da própria da Terra, de sorte que o total incidente equivale à soma das energias reemitidas, equilibrando o balanço, como ilustra a figura 4.
5.1 Fluxos, estoques, depósitos e fundos de energia
No item acima foi mostrado que a energia disponível para uso pela sociedade provém, direta ou indiretamente, do fluxo solar. Apenas uma pequena parte vem dos gêisers, dos vulcões e do calor interno da Terra e, ainda, das marés. O calor interno da Terra tem origem na radiatividade natural de elementos tais como o urânio, o tório e o potássio. E a energia das marés vem da atração gravitacional exercida sobre a Terra, principalmente pela Lua.
Os combustíveis fósseis derivam de processos fotossintéticos ocorridos há centenas de milhões de anos, sendo, portanto, não renováveis na escala temporal humana. Os combustíveis de biomassa, por terem origem em processos fotossintéticos recentes, são renováveis na escala temporal humana.
O ciclo hidrológico, que é movido por energia solar (V. figura 2), pode ser aproveitado em usinas hidrelétricas, para gerar eletricidade de forma renovável.
A figura 5 esquematiza um modelo de classificação das diversas fontes de energia empregadas pela sociedade, em estoques, depósitos e fluxos.
Figura 5Fontes, fluxos, estoques, depósitos e fundos de energia
Os estoques energéticos englobam depósitos e fundos. A exploração dos depósitos gera fluxos que se extinguem quando o depósito se esgota. Os fundos podem gerar fluxos sustentáveis, desde que sua exploração não seja predatória.
Evidentemente, o fluxo solar pode ser aproveitado de forma direta, por exemplo em sistemas fotovoltaicos e coletores termosolares.
Fluxos naturais renováveis Radiações solares e fenômenos destas decorrentes, tais como ventos, ciclo hidrológico,
crescimento de plantas, etc)
Fundos (potencialmente renováveis) Plantações, florestas, represas, etc.
(O rendimento de um fundo pode gerar um fluxo
sustentável)
Depósitos (não renováveis) Fósseis de origem fotossintética, formados há centenas de milhões de anos, tais como petróleo, gás e carvão.
Embora não oriundos de radiações solares, os minérios de urânio e de tório
também constituem depósitos.
(A exploração/depleção de um depósito
gera um fluxo não sustentável).