ATMOSFERAEstrutura e composição

IGcUSPSonia MB Oliveira

A ATMOSFERA TERRESTRE

Decifrando a Terra cap. 4

Sistema exógeno

• No sistema solar, só Mercúrio não tem atmosfera. Mas só a Terra tem um sistema integrado de litosfera/hidrosfera/atmosfera/ biosfera.

• A massa das chamadas “esferas externas” é pouco importante em relação à massa da Terra.

• Atmosfera - 0,00009 %

• Hidrosfera - 0,024 %

• Biosfera ou ecosfera - 0,0000003 %

• H : A : B : : 69100 : 300 : 1

1. Estrutura da atmosfera

2. Movimentação das massas de ar

3. Composição da atmosfera

4. Balanço energético

5. Poluição atmosférica

Massa da atmosfera: 5,2 1018 kg

1. Estrutura da atmosfera

Fluidos compressíveis e incompressíveis: o ar é um fluido compressível

Fluidos compressíveis e incompressíveis: a água é um fluido incompressível

Pressão no oceano cresce 1 atmosfera para cada 10m de profundidade

Pressão

• A pressão atmosférica diminui exponencialmente com a altitude. Diminui pela metade a cada 7 km. 75% da massa da atmosfera está contida nos primeiros 11 km. 99,999 % da massa está contida nos 100 km a partir da superfície.

Temperatura

• A temperatura da atmosfera é consequência direta ou indireta da absorção da radiação solar pelas moléculas ou átomos da atmosfera. As principais moléculas que absorvem são: N2, O2, O3, NO2 e os particulados.

• Com base na temperatura, a atmosfera é dividida em camadas.

-60oC

0oC

-80oC

Pressão e temperatura da atmosfera

A 16 km a pressão atmosférica é de 0,1 atm

Troposfera

• Vai de 0 a 10-15 km de altitude.

• Contém 80-90 % da massa da atmosfera e quase todo o vapor d’água (≤ 4%). A umidade relativa do ar aumenta com a temperatura.

• É aquecida a partir da radiação refletida de volta da superfície da Terra.

• Fria em cima (esfria 6,5 oC /km, em média, com a altitude) e quente em baixo: instabilidade.

• Homogênea e turbulenta.

• Sede dos fenômenos climáticos.

• Limitada pela tropopausa (7 km nos polos e 15 km no equador).

Pressão de vapor da água em função da temperatura

Estratosfera

• Vai de 12 a 48 km de altitude (-60oC a 0oC).

• Nos 2/3 superiores (24-48 km): escudo de O3 (concentração de alguns ppm, enquanto que na troposfera a concentração é de 0-0,07 ppm).

• A temperatura cresce porque o O3 absorve a radiação UV e emite na faixa do infravermelho.

• Ar menos denso em cima e mais denso em baixo: equilíbrio.

• Partículas ficam presas na estratosfera por muito tempo.

• Limitada pela estratopausa, onde a pressão é de 1/1000 atm.

2. Movimentação das massas de ar

Ventos

• Deslocamentos de massas de ar.

• Ar quente sobe, resfria e desce.

• Por causa da rotação da Terra, há desvio das massas de ar.

Circulação atmosférica

• Sem rotação

• Sem inclinação do eixo (insolação direta no equador)

Fonte: http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter10/single_cell.html

Célula de HadleyCélula de Hadley

Circulação atmosférica

• Força de Coriolis• Força aparente• Deflete o

movimento

• Hemisfério norte: para a direita• Hemisfério sul: para a esquerda

Devido ao sentido de rotação da Terra (de oeste para leste)

Fonte: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/fix/student/chapter8/08f06.html

Circulação atmosférica

• Com rotação

• Sem continentes

• Sem inclinação do eixo (insolação direta no equador)

• Três pares de células SIMÉTRICAS

• Hadley• Ferrel• Polar

Fonte: http://www.ux1.eiu.edu/~cfjps/1400/circulation.html

Circulação atmosférica

Inclinação do eixo de rotação + translação = Estações do ano

Fonte: http://www.worldmapsonline.com/LESSON-PLANS/6-changing-seasons-globe-lesson-15.htm

Circulação atmosférica

Com a variação da distribuição de calor recebido do Sol ao longo do ano, observamos a sazonalidade no comportamento das células de circulação atmosférica.

Janeiro Julho

Fonte: http://www.ux1.eiu.edu/~cfjps/1400/circulation.html

ITCZ: intertropical convergence zone

Monções

• Transferências sazonais de calor entre continentes e oceanos.

• A água responde mais devagar que a terra ao aquecimento.

• No verão, o continente é zona de baixa pressão e o vento vem do oceano.

• No inverno, o oceano é zona de baixa pressão e o vento vem do continente.

3. Composição da atmosfera

Atmosferas da Terra, Vênus e Marte

Vênus (100atm) Terra (1 atm) Marte(.01 atm)

CO2 95.5% 0.033% 95.3%

N2 3.5% 78.0% 2.7%

H2O 30-200ppm 3% 100ppm

He 12ppm 5.2ppm 100ppmNe 7ppm 18.2ppm 2.5ppmAr 70ppm 9340ppm 16000ppmKr 0.05ppm 1.14ppm 0.03ppmXe 0.04ppm 0.087ppm 0.08ppm

Comparações com a atmosfera da Terra

• Marte tem uma atmosfera tênue (P = 1/100 atm) composta principalmente de CO2.

• Vênus tem uma atmosfera densa (P = 100 atm), composta principalmente de CO2.

• Planetas gigantes têm atmosferas muito densas, formadas por de H2, He e CH4.

Nitrogênio

• 5o elemento mais abundante no sistema solar

• Gás inerte

• Tempo de residência na atmosfera: 100 Ma.

• Essencial para a vida

• Fonte: denitrificação biológica (bactérias reduzem o nitrato a N2; alternativamente reduzem o NH4

+ a N2).

• Sumidouro: fixação biológica (bactérias oxidam/fixam o N2 em NH4

+).

O ciclo do nitrogênio na atmosfera

• Fixação do nitrogênio

2N2 + 6H2O → 4NH3 + 3O2 (Rhizobium)

4NH3 + H2O → NH4+ + OH-

• Nitrificação

2NH4+ + 3O2 → 2NO2

- + 2H2O + 4H+(Nitrosomonas)

2NO2- + O2 → 2NO3

- (Nitrobacter)

• Denitrificação

4NO3- + 2H2O → 2N2 + 5O2 + 4OH-(Pseudomonas ou

Clostridium)

Oxigênio

• 3º elemento mais abundante no sistema solar

• Tempo de residência na atmosfera: 4300 anos (divide-se o estoque na atmosfera 38*1018 mol O2 pelo fluxo 8,7*1015 mol O2 /y).

• Muito reativo.

• O ciclo do oxigênio está estritamente ligado ao do carbono (fotossíntese/respiração).

• Fontes e sumidouros em equilíbrio.

Argônio

• É o 10º elemento mais abundante do universo. É o 3º gas nobre mais abundante.

• Atmosfera relativamente enriquecida em 40Ar em relação aos demais gases nobres.

• Fonte: decaimento do 40K.

Gás carbônico

• O carbono é o 4º elemento mais abundante do universo.

• Tempo de residência: 12 anos.

• Quantidade na atmosfera controlada pelas quantidades na hidrosfera e biosfera.

• Fonte: respiração e a degradação da matéria orgânica

CH2O + O2 → CO2 + H2O

• Sumidouro: fotossíntese

CO2 + H2O → CH2O + O2

Outros gases

• Ne primordial (6º elemento mais abundante no universo).

• He (2º elemento mais abundante) provém do decaimento radiativo. O He primordial foi perdido.

• CH4 produzido pela Archaea, simbioticamente cooperando com plantas e animais. Tem meia vida de 12 anos e é destruído por oxidação: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.

• Xe, Kr, Rn incorporados na origem da atmosfera.

• H2O: TR 10 dias. Quanto maior a temperatura, mais H2O a atmosfera pode conter.

• O3: formado e destruído na estratosfera (entre 24 e 48 km de altitude).

O3 na troposfera: 0-0,07 ppm; O3 na estratosfera: 10 ppm

Resumo: principais reações na troposfera

• Fotossíntese e respiraçãoCO2 + H2O → CH2O + O2

CH2O + O2 → CO2 + H2O

• Fixação de nitrogênio e denitrificação2N2 + 6H2O → 4NH3 + 3O2

NH3 + H2O → NH4+

NH4+ → NO2

- ou NO3-

4NO3- + 2H2O → 2N2 + 5O2 + 4 OH-

Resumo: principal reação na estratosfera

• Formação e destruição do ozônio

O2 → O + O

O + O2 → O3

O3 → O2 + O

O3 + O → 2 O2

4. Balanço energético na atmosfera

Fontes de energia para os processos da atmosfera e hidrosfera

• Sol: 99,98 %

• Calor interno + marés: 0,02 %

• Radiação solar = 343 W/m2

• Equilíbrio térmico: E incidente = E refletida

• Sol é corpo quente e Terra é corpo frio

Balanço energético

• Sol quente 6000oC• Emite luz• Radiação de

comprimento de onda curto 0,3 a 2,0 micra

• Gaps da radiação incidente: O3, CO2, H2O, etc.

• Chega à superfície 49%

• Terra fria 14oC• Emite calor• Radiação de

comprimento de onda longo 5 a 50 micra

• Absorvedores da radiação: H2O, CO2, etc.

• A superfície emite 49%

Energia refletida : albedo 31 %

Energia que chega à superfície e é re-emitida 49 %

É usada para:• evaporar a água• fotossíntese• mover os ventos• mover as correntes

marinhas.

E é absorvida pelos gases do efeito estufa, antes de ser re-emitida de volta para o espaço.

EFEITO ESTUFA

• Fenômeno natural.

• Efeito de absorção e re-irradiação da energia incidente por CO2, H2O, CH4, CFC, etc.

• Se não houvesse o efeito estufa, com o albedo de 30%, a temperatura da Terra seria de -18oC

Balanço energético

σ Te4 = S/4 * (1-A)

σ = 5,67. 10-8 W/m2/K4

Te é a temperatura efetiva do planeta

S = fluxo solar no topo da atmosfera = 1365 W/m2

A = albedo = 30 %

Te = - 18º C

Mas a temperatura média observada na Terra é de 15oC

• A diferença é devida ao efeito estufa.

• Os principais gases de efeito estufa são o vapor d’água e o gas carbônico.

• O óxido nitroso e o metano também são gases estufa, mas estão presentes em pequena quantidade na atmosfera.

Comparação com a atmosfera de Vênus

• Vênus, embora mais próximo do sol que a Terra, recebe menos energia porque tem maior albedo. Mas tem um enorme efeito estufa, o que leva sua temperatura da superfície para 460 oC.

Vênus tem temperatura superior à de Mercúrio, que está mais próximo do sol, mas não tem atmosfera.

5. Poluição atmosférica

Poluição atmosférica: gases e material particulado

• CO2 (392 ppm -2012): queima de combustíveis fósseis e fabricação de cimento.

• CO (0,1 ppm): combustão incompleta.

• SO2: aerossóis: atividade industrial e queima do carvão.

• NO2 e NO: combustão de óleo e carvão.

• O3 (20 a 50 ppb): catalisadores.

• CFC: refrigeração.

Depleção na camada de ozônio

Antártica em setembro de 1987

O3

pp

m

CF2Cl2 + UV →Cl + CClF2

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O→ Cl + O2

O3 + O → 2 O2

Um único átomo de Cl é capaz de quebrar 100000 moléculas de O3

Chuva ácida

• Formação de H2SO4, HNO3 e HCl na atmosfera.

• As principais fontes são: vulcões, processos biológicos e atividades antrópicas.

• Além da deposição como chuva, há também a deposição seca: o gas SO2 é absorvido diretamente pela vegetação, sólidos e outras superfícies. É mais intensa próxima das fontes de emissão.

• A deposição ácida é prejudicial para a vida aquática, vegetação, prédios e monumentos, e para a saúde humana.