Nesta unidade temática, você vai aprender

• A compreender os conceitos básicos da meteorologia e climatologia;

• A analisar a evolução do conhecimento meteorológico e climatológico;

• A analisar a composição, massa e estrutura da atmosfera;

• A compreender que a distribuição de gases-traço e aerossóis varia com a altitude, a latitude e o tempo;

• A compreender que a pressão atmosférica, a densidade e a pressão do vapor d’água variam com a altitude;

• A compreender as camadas verticais da atmosfera, sua terminologia e importância.

Atmosfera: composição e estrutura

Neste capítulo, iremos contemplar a composição, massa e estrutura da atmosfera.

O globo terrestre é envolvido por um grande “oceano de ar” constituído por diferentes gases que são atraídos até a Terra pela ação da gravidade. Convencionalmente, estabeleceu-se o limite superior da atmosfera a uma altura próxima de 1000 Km sobre o nível médio do mar. Cabe salientar que parte da atmosfera que se estende além de 30 Km de altitude tem uma massa de apenas 1% de sua massa total.

Para compreender os processos físicos que se produzem na atmosfera é necessário, primeiramente, conhecer sua composição.

A composição do ar seco por unidade de volume e ao nível do mar está indicada na tabela a seguir:

Os denominados “gases de efeito estufa” têm um papel fundamental na termodinâmica da atmosfera, já que aprisionam a radiação refletida pela Terra, promovendo o “efeito estufa”. Além disso, as concentrações desses gases-traço são afetadas pelas atividades antrópicas. BARRY e CHORLEY (2013) descrevem os seguintes gases: CO2, CH4, N2O, O3, CFC, HFC e HCFC.

Quase dois terços da produção total estão relacionados com a atividade antropogênica. O metano é oxidado a CO2 e H2O por um complexo sistema de reação fotoquímica. CH4 + O2 + 2X H2, onde X denota qualquer espécie que destrua o metano, por exemplo: H, OH, NO, Cl ou Br.

Espécies gasosas reativas

Segundo BARRY e CHORLEY (2013), além dos gases de efeito estufa importantes espécies gasosas reativas são produzidas pelos ciclos do enxofre, nitrogênio e cloro, que desempenham papéis cruciais na chuva ácida e na destruição do ozônio. As fontes dessas espécies são espécies nitrogenadas e sulfurosas.

A precipitação ácida (por deposição úmida ou seca) resulta na reação de gotículas de nuvens com emissões de SO2 e NOX. Existem grandes variações geográficas na chuva ácida. Os processos que levam à destruição do ozônio atmosférico são complexos, mas os papéis de óxidos de nitrogênio e radicais de cloro são muito importantes como causa de buracos na camada de ozônio polar.

Aerossóis

BARRY e CHORLEY (2013) mostram que os aerossóis são partículas suspensas de sulfato, sal marinho, poeira mineral (particularmente silicatos), matéria orgânica e carbono negro. Portanto, existem quantidades significativas de aerossóis na atmosfera. Eles entram na atmosfera por meio de uma variedade de fontes naturais e antropogênicas. As partículas pequenas de aerossóis são importantes na condensação das nuvens. Os efeitos climatológicos de aerossóis sobre a precipitação são complexos e o impacto geral é incerto. Nesse sentido, desempenham um papel importante, mas complexo no clima.

Comportamento da atmosfera com a altitude

Segundo BARRY e CHORLEY (2013), a turbulência da atmosfera impede a separação dos gases mais leves, como hidrogênio e hélio. As variações de gases na atmosfera superior são de gases não permanentes, como o vapor d’água e o ozônio. Esses gases absorvem a radiação solar e a radiação refletida da Terra e, com isso, o balanço de calor e a estrutura vertical da temperatura da atmosfera são afetados.

O vapor d’água compreende até 4% da atmosfera em volume (cerca de 3% em peso) perto da superfície. Já acima de 10 a 12 Km há apenas de 3 a 6 ppmv (partes por milhão em volume). Esse gás é fornecido para a atmosfera pela evaporação das águas, pela evapotranspiração das plantas e transferidos para os níveis mais elevados pela turbulência (BARRY e CHORLEY, 2013).

O ozônio (O3) se concentra, principalmente, entre 15 a 35 Km. As camadas superiores da atmosfera são irradiadas pela radiação ultravioleta do Sol, que causa a quebra das moléculas de oxigênio em altitudes acima de 30 Km. (O2 → O + O). Esses átomos quando separados (O + O) podem se combinar individualmente com outras moléculas de oxigênio para criar o ozônio (BARRY e CHORLEY, 2013).

Pressão e massa da atmosfera

A atmosfera exerce sobre a superfície terrestre uma pressão permanente devido ao peso dos gases que a compõem. A atmosfera está constituída por milhares de milhões de moléculas e átomos que se movem em alta velocidade em seu redor, colidem uns com os outros e golpeiam a superfície da Terra. O estudo da pressão atmosférica constitui uma parte importante da meteorologia. As diferenças de pressão dentro da atmosfera originam as grandes correntes atmosféricas. Devido às diferenças de pressão, surgem os ventos e todos os elementos meteorológicos.

Nas proximidades da superfície terrestre, a pressão é sempre maior, uma vez que o valor é igual ao peso da coluna de ar acima da unidade de superfície sobre a qual atua. À medida que se sobe, na atmosfera, o número de moléculas e de átomos de ar diminui e, portanto, a pressão atmosférica decresce com a altitude.

No Sistema Internacional, a unidade padrão de pressão é o Pascal (Pa) = 1 newton/1m², portanto 1mb = 100Pa.

Barômetro é uma palavra que vem do grego “barros” (peso) e “metron” (medida). Trata-se de um instrumento utilizado para medir a pressão atmosférica.

BARRY e CHORLEY (2013) mostram que os gases atmosféricos obedecem a algumas leis simples em resposta a mudanças na pressão e temperatura. A Lei de Boyle postula que em uma temperatura constante o volume (V) de uma massa de gás varia inversamente à sua pressão (P):

A Lei de Charles diz que em uma pressão constante o volume varia diretamente com a temperatura absoluta (T) medida em graus Kelvin:

V = K2T

Assim, a uma pressão qualquer, um aumento na temperatura causa redução na densidade e vice-versa. Portanto, combinando as leis de Boyle e Charles tem-se a lei do gás ideal, que relaciona a pressão, o volume e a temperatura, uma das relações fundamentais na ciência atmosférica.

As camadas da atmosfera

Para compreender a atmosfera é necessário, cada vez mais, avançar em tecnologias, satélites e equipamentos para estudar a alta atmosfera, ampliando ao mesmo tempo as redes de estações meteorológicas na superfície da Terra.

Por questões didáticas, é conveniente estudar separadamente as regiões da atmosfera. Entretanto, é importante destacar que todos os fenômenos que ocorrem em uma região têm sempre influência sobre outras regiões da atmosfera.

BARRY e CHORLEY (2013) concluem que, com relação às camadas da atmosfera, metade da massa da atmosfera é comprimida nos 5 Km mais baixos e que a pressão diminui logaritmicamente com a altura, a partir de um valor médio de 1013 mb no nível do mar. A estrutura vertical da atmosfera compreende três camadas relativamente quentes, a troposfera inferior, a estratopausa e a termosfera superior, separadas por uma camada fria acima da tropopausa (na estratosfera inferior) e da mesopausa. O perfil da temperatura é determinado pela absorção atmosférica de radiação solar e pela redução da densidade com a altitude.

Variação da temperatura com a altitude

Vimos na Figura 1 que a temperatura diminui com a altitude na troposfera. Essa variação decrescente da temperatura em função da altitude é denominada gradiente térmico de temperatura. Na troposfera, o gradiente térmico de temperatura tem um valor médio aproximado de 6°C por quilômetro. Isso significa, por exemplo, que se a temperatura ao nível do mar for 15°C, na altitude de 5 Km, aproximadamente, alcançará o valor de -15°C (uma queda de 30°C).

Nas camadas inferiores da estratosfera, a temperatura não varia praticamente com a altitude. Portanto, o gradiente térmico é nulo e, nesse sentido, essa parte da atmosfera é isotérmica (de igual temperatura).

Se em certas regiões da atmosfera a temperatura aumenta com a altitude, o gradiente de temperatura vertical é negativo, ou seja, corresponde um aumento de temperatura com altitude. Chama-se de inversão de temperatura ou inversão térmica, já que na troposfera, normalmente, a temperatura decresce com a altitude.

Na troposfera a temperatura diminui com a altitude. Essa variação decrescente da temperatura em função da altitude é denominada gradiente térmico de temperatura. Na troposfera, o gradiente térmico de temperatura tem um valor médio aproximado de 6°C por quilômetro. Isto significa, por exemplo, que se a temperatura ao nível do mar for 15°C, na altitude de 5 Km, aproximadamente, alcançará o valor de -15°C (uma queda de 30°C).