CAPÍTUW 2A ATMOSFERA DA TERRA

A composiçãoda atmosfera

à atmosfera pode ser descrita como uma camada frna de gases,sem cheiro, sem cor e sem gosto, presa à Terra pela força da gravidade.A atmosfera compreende uma mistura mecânica estável de gases,sendoque os mais importantess[o o nitrogênio,o oxigênio,o argônio,obi6xido de carbono, o ozônio e o vapor d'água (ver Tabela 2.1).Outros gases ocorrem em proporçOesmuito pequenase incluemoneônio, o criptônio, o hélio, o metano, o hidrogênio,etc;:O nitro-gênio, o oxigênioe o argônio são constantes quanto ao volume, espaciale temporalmente. Por exemplo, o volume de vapor d'água na atmosferapode variar praticamente de zero, em regiOesáridas, até cerca de 3 -4%nos trópicos úmidos. O conteúdo de vapor d'água na atmosfera estáestreitamente relacionado com a temperatura do ar e com a disponibi-lidade de água na superfície terrestre. Assim, nas latitudes médias émaior no ver[o do que no inverno, quando a capacidade da atmosferapara reter a umidade é pequena. O vapor d'água é também quaseausentea cerca de 10 - 12 quilômetros acima da superfície da Terra. Estefato acontece porque o vapor d'água na atmosfera é fornecido pelaevapotranspiraç[o de água da superfície terrestre e levado para camadassuperiores pela turbulência, que é mais eficaz abaixo da latitude de10 quilômetros.

O ozônio está concentrado entre as altitudes de 15 e 35 quilô-metros da atmosferã. O conteúdo de ozônio da atmosfera é baixo sobreo Equador e alto n; direç[o dos pólos, nas latitudes maiores que 50°.O ozônio é formado quando, sob a influência da radiação ultravioleta, .

as tnoléculas de oxigênio se rompem e os átomos separados combi-

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nam-se individualmente com outras moléculas de oxigênio. Muitoembora a ruptura das moléculas de oxigênio usualmente ocorra nacamada entre 80 e 100 quilômetros, a formação de ozônio acontece nacamada entre 30 e 60 quilômetros. Isto ocorre por causa da densidademuito baixa da atmosfera a 80 e 100 quilômetros, fato que não esti-mula combinações entre o O e 0.2, processo necessáriopara a formaçãodo ozônio. Este, em si mesmo, é instável, uma vez que pode ser destruí-do pela radiação incidente ou pelos choques com o oxigênio monoatô-mico (O) para recriar o oxigênio (02), da seguinte maneira:

03 + O -+ O2 + O2

O modelo da distribuição do ozônio dentro da atmosfera éconsiderado como sendo o resultado de algum mecanismo de circula-ção, que transporta o ozônio para níveisadequados onde sua destruiçãüé menos provável e sua concentração é, desta forma, assegurada. Taisáreas estão concentradas na atmosfera nas altitudes de 1S a 3S quilôme-tros acima da superfície terrestre.

Tabela 2.1 - ComposiçãO média da atmosfera seca abaixode 2S quilômetros (segundo B:trry e Chorley, 1976)

Gás Volume % (ar seco)

Nitrogênio (N2)Oxigênio (°2)Argônio (Ar)Bióxido de carbono (C02)Neônio (Ne)Hélio (He)Ozônio (°3)Hidrogênio (H)Criptônio (Kr)Xenônio (Xe)Metano (Me)

78,0820,940,930,03 (variável)0,00180,00050,000060,00005

IndíciosIndíciosIndícios

O bióxido de carbono (C02) entra na atmosfera principalmentepor meio da ação dos organismos vivos nos oceanos e continentes. Afotossíntese ajuda a manter o equilíbrio da quantidade de bióxido de

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carbono por meio da remoção de cerca de 3% do bióxido de carbonototal do mundo, anualmente. Contudo, existem temores de que a cres-cente utilização de combustíveis fósseis}pelohomem esteja perturbandoesse equilíbrio e de que tenha havido algum aumento na quantidadede bióxido de carbono na atmosfera. Por exemplo, a quantidade totalde bióxido de carbono na atmosfera, entre 1870 e 1970, foi calculadacomo tendo aumentado de 294 para 321 ppm (cerca de 11% de aumen-to) devido à queima de combustíveis fósseis (Barry e Chorley, 1976).

l\1ém dos gases relacionados na Tabela 2.1 a atmosfera contémquantidades variáveis, porém significativas, de aerossóis. Estes sãopartículas de poeira em suspensão, fumaça, matéria orgânica, sal mari-nho, etc., que procedem tanto de fontes naturais como daquelas cons-truídas pelo homem. Os aerossóisproduzidos pelo homem são avaliadosatualmente como sendo responsáveis por 30% dos aerossóis contidosna atmosfer~ e essa quantidade poderá duplicar por voltado ano2000 (Barry e Chorley, 1976).

O vapor d'água, o ozônio, o bióxido de carbono e os aerossóisdesempenham papéis importantes na distribuição e nas trocas deenergiadentro da atmosfera e entre a superfície da Terra e a atmosfera.Suas quantidades e padroes de distribuição dentro da atmosfera devem,portanto, ser cuidadosamente estudados. Observaçoes por foguetesindicam que o nitrogênio, o oxigênio e o argônio estão misturadosem proporçoes constantes até uma altitude de 80 quilômetros, devidoà constante agitação no interior da atmosfera. Contrariamente ao quese poderia esperar, não há separação dos gases leves (como, por exem-plo, o hidrogênio e o hélio) e daqueles mais pesados da atmosfera porcausa da constante mistura turbulenta em grande escala da atmosfera.Contudo, conforme foi antes mencionado, as variaçõesespaciaise sazo-nais realmente ocorrem na distribuição dos aerossóis, bióxido de car-bono, vapor d'água e ozônio. Porque esses aerossóis e gases absorvem,refletem e difundem tanto a radiação solar como a terrestre, a balançade calor do sistema terra - atmosfera e a estrutura da temperaturada.atmosfera são grandemente afetadas por suas quantidades e distri-bUIÇõeSdentro da atmosfera.

A massa da atmosfera

J\. atmosfera, sendo uma mistura mecânica de gases, exibe ascaracterísticas principais de todos os gases. Ela é extremamente volátil,

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compressível e tem a capacidade de expansão. Estas característicasexplicam alguns dos aspectos fundamentais da estrutura atmosféricabem como muitos aspectos do tempo atmosférico e do clima. Porquea atmosfera é altamente compressível, suas camadas inferiores sãomuito mais densas do que as superiore~ A densidade média da atmos-fera diminui a partir de 1,2 kgm-3 na superfície da Terra até 0,7 kgm-3na altura de 5 000 metros).De fato, conforme mostrado na Fig. 2.1,cerca da metade do total da massa da atmosfera está concentradaabaixo de 5 quilômetros. A pressão atmosférica diminui logaritmica-

mente com a altitude acima da superfície terrestre) A pressão em umponto na atmosfera é o peso do ar verticalmente acima da unidade deárea horizontal centralizada naquele ponto. Em outras palavras, é aforça direcionada para baixo sobre a unidade de área horizontal resul-tante da ação da gravidade sobre a massa de ar situada verticalmente(McIntosh e Thom, 1969). À medida que subimos na atmosfera, o artorna-se mais rarefeito até que o limite externo da atmosfera sejaalcançado, penetrando assim no espaço exterior. A densidade real doar depende da temperatura, do teor de vapor d'água no ar e da gravi-dade. Desde que todos os elementos variam, não existe relaciona-mento simples entre a altitude e a pressão. Todavia, o relacionamentoentre a pressão e a altitude é tão significativo que os meteorologistasfreqiientemente expressam as elevações em milibares, que é a unidadede medida da press[o. Por exemplo, 1.000 mb representam o níveldo mar e 300 mb cerca de 9.000 metros.

A pressão é medida como força por unidade de área. A unidadeusada pelos meteorologistas é o milibar (mb). Um milibar é equivalentea 1.000 dinas por centímetro quadrado. (Um dina é a força necessáriapara produzir uma aceleração de 1 cm/s2 em uma massa de 1 grama.)As leituras do barômetro de mercúrio também necessitam ser padro-nizadas para uma temperatura de oOe, levando em conta a expansãotérmica do mercúrio.

A pressã'o atmosférica média ao nível do mar é 1013,25 mb. Cadaum dos gasesna atmosfera exerce uma pressãoparcial independente dosoutros. Desta forma, ao nível médio do mar, o nitrogênio exerce umapressão de 760 mb, o oxigênio de 240 mb, e o vapor d'água de 10 mb.A pressão exercida pelo vapor d'água, isto é, a pressão do vapor, variacom a latitude e sazonalmente. Por exemplo, é de aproximadamente0,2 mb sobre a Sibéria setentrional, em janeiro, e mais do que 30 mb

~~~.

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80

60

20 o

Figura2.1- Distribuição vertical da massa da atmosfera (conforme Barry eChorley, 1976). Porcentual da massatotal da atmosfera que se situaabaixo da altitude de 80 quilômetros, mostrando a característica demanto superficialda atmosfera terrestre.

nos trópicos, em julho. Porém, esta variação não é refletida no padrãoda pressão na superfície total. De fato, devido a fatores dinâmicos, o arem áreas de alta pressão é geralmente seco, enquanto nas áreas de baixapressão é usualmente úmido (Barry e Chorley, 1976).

A estrutura da atmosfera

\Evidências provenientes de rawinsonde (radiossonda rastreadapor dispositivo de radiogonometria para determinar a velocidade dovento nas alturas), radiossonda, foguetes e satélites indicam que aatmosfera está estruturada em três camadas relativamente quentes,separadas por duas camadas relativamente frias (Fig.2.2). As trêscamadas quentes, ocorrem nas proximidades da superfície da Terra,entre 50 e 60 quilômetros, e acima de 120 quilômetros, enquantoas camadas frias são encontradas entre 10 e 30 quilômetros, e a cercade 80 quilômetros acima da superfície da Temi]

o-e-

20GI

::I+-+--<t o

100 80 60 o

20

140

120

100

TERMOSFERA

e~I 80"----li!o:>

...

;:: 60.J

<r

MESOSFERA

4°

20 ESTRATOSFERA

TROPO.sFERA

-150 -100 -50 o 50

TEMPERATURA "c

100 150

Figura 2.2 - A estrutura da atmosfera, de acordo com as mudanças de tempe-

ratura.

(A camada mais baixa da atmosfera é denominada troposfera~Atroposfera contém cerca de 75% da massa gasosa total 4a atmosfera evirtualmente a totalidade do vapor d'água e de aeross6i~,Portanto, elaé a camada onde os fenômenos do tempo atmosférico e a turbulênciasão os mais marcantes e tem sido descrita como a camada da atmosfera

"-

que estabelece as condições do tempo.) Por estas razões, torna-se deimportância direta para o homem. Na troposfera, a temperatura diminuia uma taxa média de 6,5°C Pc;>rquilômetro(A parte superior da atmos-fera é denominada tropopauS/l, sendo caracterizada pelas condições de.I

inversão de temperatura que efetivamente limitam a convecçlo e outrasatividades do tempo atmosférico. A altura da tropopausa 010 é cons-

L

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tante. Ela varia de lugar para lugar e de época para época sobre umadeterminada área. Contudo, a altitude da tropopausa é mais elevadano Equador (16 quilômetros), onde existe aquecimento e turbulênciaconvectivavertical, e é mais baixa nos pólos; onde tem ap~nas8 quilô-metros. ~ troposfera pode ser dividida em três camadasJ tendo porbase o mecanismo dominante para as trocas de energia. Estas são

I a camada laminar, a camada friccional e a denominadaatmosfera'-- '

livre.,A camada laminar ou de superfície marca a interface entre o

solo e a atmosfera. A transferência de energia dentro desta camadaacontece por meio de condução e as trocas verticais de calor e deumidade são bastante lentas. Em sua parte superior encontra-se acamada de atrito, que tem cerca de 1.000 metros de espessura. Atransferência vertical de calor nesta camada ocorre principalmente pormeiode turbulência ou por meio de movimentos de remoinho. A seguir,encontra-se a atmosfera livre, que é a camada que está isenta do efeitodo atrito criado pelas irregularidades da superfície terrestre. Nestacamadaos ventos são mais fortes, pois não mais encontram a resistênciafriccional, e a transferência vertical de energia ocorre principalmenteatravés da formação de nuvens. A água é evaporada da superfície daTerra e transportada para o alto como vapor. Quando o vapor se con-densa na atmosfera para formar as nuvens, ocorre a liberação do calorlatente.

, I

A estratosfera é a segunda camada principal da atmosfera! eestende-se desde a tropopausa até cerca de 50 quilômetros acima dosolo. Diferentemente do que acontece na troposfera, na estratosferaa temperatura geralmente aumenta com a altitude. Como a densidadedo ar é muito menor, até mesmo uma absorção pequena de radiação

solar pelos constituintes atmosféricos, ,n°tadamente o ozônio, produzum grande aumento de temper,tura.1 A estratosfera contém grandeparte do ozônio total atmosférico} A concentração máxima de ozônioocorre em torno da altitude de 22 quilômetros acima da superfícieterrestre. Diferentemente da troposfera, ~ estratosfera contém pouco~u nenhum vapor d'água~(Mudançassazonais marcantes são caracterís-hcas da estratosfera';e, no geral, acredita-se que os eventos na estratos-f~ra estejam provavelmente ligados às mudanças de temperatura e de

circulação na troposfera( A parte superior da estr~tosfera é marcadapor uma zona isotérmica denominada estratopauS/l.;A troposfera e aestratosferaconstituem a atmosfera inferior.

".~:,~ ~ .I -

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A atmosfera superior é geralmente considerada como começandoa partir da estratopausa e terminando onde a atmosfera se funde com oespaço exterior. Várias camadas foram reconhecidas dentro da atmos-fera superior, porém até agora não há concordância universala respeito Ida terminologia e do número de camadas. Geralmente são reconhecidas

as seguintescamadas: I1. a mesosfera,onde a temperaturadiminuicom a alturaaté alcançar

I

um mínimo de cerca de -90°C aos 80 quilômetros, situando-se naparte superior da estratosfera. A pressão atmosférica é muito baixae diminuiaproximadamentede um mb, na base da mesosferaaos I

50 quilômetros acima do solo, até 0,01 mb na mesopausa,na proxi- Imidade de 90 quilômetros acima da superfície terrestre; I

2. a termosfera é a camada seguinte. Aqui, a temperatura aumenta com Ia altitude devido à absorção da radiação ultravioleta pelo oxigênio I

atômico. A atmosfera é muito rarefeita, uma vez que as densidades.são muito baixas. Acima de 100 quilômetros, a atmosfera é grande-mente afetada pelos raios-X e pela radiação ultravioleta, o que pro-voca a ionização ou carregamento elétrico. A região de alta densi-dade de elétrons é algumasvezes denominada ionosfera;

3. a exosfera estende-se de uma altitude entre 500 e 750 quilômetrosda superfície terrestre e acima dessa altitude. Os átomos de oxigênio,hidrogênio e hélio formam uma atmosfera muito tênue e as leis dosgases deixam de ser válidas. A atmosfera não tem um limite superiorexato, porém torna-se menos densa, progressiva e de forma rápidaantes que fmalmente ela se confunda com o espaço exterior.

Está claro, pelo que foi visto, que a atmosfera terrestre varia, noque diz respeito as suas características, a partir da base para o alto.Quanto ao tempo atmosférico e ao clima, somente a troposfera e aestratosfera, particularmente a primeira, são de interesse. A atmosferasuperior ainda é relativamente inexplorada, se comparada com a atmos-fera inferior.

Referências Bibliográficas

BARRY, R. G. e CHORLEY, R. J. Atmosphere, Weatherand Climate. 3~ ed.Londres, Methuen, 1976.

McINTOSH,D. H. e THOM,A. S. Essentialsof Meteorology. Londres,WykehamPublications,1969.