Parte 3 Camadas da atmosfera Variao vertical da

Parte 3 § Camadas da atmosfera § Variação vertical da pressão e densidade § Variação vertical da temperatura § Estabilidade Térmica da Atmosfera § Variação vertical da composição química da atmosfera Parte 3 1

Camadas Atmosféricas As propriedades físicas e químicas da atmosfera (objeto da Ciências Atmosféricas) podem ser caracterizadas considerando-se a atmosfera como um conjunto de camadas adjacentes e superpostas. Parte 3 2

Camadas Atmosféricas – Temperatura Do ponto de vista da temperatura do ar divide-se a atmosfera em 7 camadas adjacentes: 1. Troposfera 2. Tropopausa 3. Estratosfera 4. Estratopausa 5. Mesosfera 6. Mesopausa 7. Termosfera Parte 3 3

Outras Camadas Atmosféricas 8. Exosfera 9. Endosfera 10. Homosfera 11. Turbopausa 12. Heterosfera 13. Ionosfera 14. Camada de Ozônio 15. Magnetosfera 16. Eletrosfera Parte 3 4

Parte 3 5

Densidade do ar é definida com a quantidade de massa (m) do ar por unidade de volume (V). No nível do mar a densidade do ar é igual a 1 kg m-3. é também conhecida como densidade absoluta. Parte 3 6

Distribuição vertical de massa Fonte: Meteorology Today Parte 3 7

Variação vertical de densidade Apesar de não existir um limite superior, a atmosfera estende-se a centenas de quilômetros na vertical, sendo que cerca de 99% da toda a sua massa está contida nos primeiros 30 km. Parte 3 8

Propriedades gases – Pressão No nível do mar pressão atmosférico é igual a 1 atm Parte 3 9

Altura da coluna de Mercúrio (Hg) e a pressão atmosférica Atmosfera Vácuo 760 mm Mercúrio (Hg) 1 atm = 760 mm Hg = Parte 3 10

Pressão Atmosférica na Superfície A pressão atmosférica na superfície representa a força por unidade de área exercida pela atmosfera na superfície. É expressa em termos da altura da coluna de mercúrio. No nível do mar esta altura é equivalente a 760 mm Hg. Parte 3 11

Sistema de Unidades usadas em Meteorologia Em meteorologia utiliza-se o sistema de unidades CGS (centímetro, grama, segundos) para expressar pressão denominado bar. 1 bar = 106 dinas cm-2 Era costume utilizar milibar (10 -3 bar), representado por mb, para representar pressão atmosférica. 1 atm = 760 mm Hg = 1013, 25 mb Parte 3 12

Milibar (mb) e Hectopascal (h. Pa) 1 mb = 10 -3 bar = 10 -3 106 dinas cm-2 = 103 g cm s-2 cm-2 1 mb = 103 10 -3 kg 10 -2 m s-2 10 4 m-2 = 102 kg m s-2 m-2 1 mb = 102 N m -2 =100 Pa = 1 hectopascal = 1 h. Pa Agora temos o hectopascal, mais condizente com o MKS 1 atm = 760 mm Hg = 1013, 25 mb = 1013, 25 h. Pa Parte 3 13

Distribuição vertical de pressão atmosférica e massa 99% da massa da atmosfera está localizada abaixo de 10 mb. 50% da massa da atmosfera está localizada abaixo de 500 mb. Fonte: Meteorology Today Parte 3 14

Estrutura Térmica da Atmosfera Do ponto de vista da estrutura vertical da temperatura a atmosfera pode ser dividida em quatro camadas: ØTroposfera; ØEstratosfera; ØMesosfera; ØTermosfera. Parte 3 15

Taxa de variação vertical de temperatura (“lapse rate”) Estas camadas se caracterizam através da taxa de variação vertical de temperatura do ar (“lapse rate”) definida como: Parte 3 16

Temperatura do ar versus altura Altura (z) z 2 z 1 T(z 2) T(z 1) Parte 3 Temperatura (T) 17

Camadas Atmosféricas TERMOSFERA MESOSFERA ESTRATOSFERA TROPOSFERA Fonte: Meteorology Today Parte 3 18

Camadas Atmosféricas TERMOSFERA MESOPAUSA MESOSFERA ESTRATOPAUSA ESTRATOSFERA TROPOPAUSA TROPOSFERA Fonte: Meteorology Today Parte 3 19

Parte 3 20

Extensão vertical das camadas A variação vertical da temperatura do ar determina as características do movimento vertical em cada uma das camadas. Parte 3 21

Estabilidade Térmica Altura (z) Observação -1 km Temperatura (T) 0 -100 C T(0) Parte 3 22

Camada é estável Os movimentos verticais são restringidos. É o que ocorre na troposfera e na mesosfera. Apesar da restrição existe movimento vertical ascendente e formação de nuvens nestas duas camadas. Parte 3 23

Vento – Sistema de Coordenadas Altura z Componente y Norte meridional Componente vertical x Leste Componente zonal Parte 3 24

Vento típico na troposfera A componente vertical do vento (w) é muito menor do que o módulo do vento horizontal (VH). Observa-se que em média na troposfera: VH ~ 10 m s-1 w ~ 0, 01 m s-1 ~ significa “da ordem de” Parte 3 25

Convenção Meteorológica Direção do vento é dada pela direção de onde o vento vem. Norte Plano horizontal Vento Nordeste Leste Parte 3 26

Vento Sudeste Norte Plano horizontal Leste Parte 3 27

Vento Sudoeste Norte Plano horizontal Leste Parte 3 28

Vento Noroeste Norte Plano horizontal Leste Parte 3 29

Convenção Meteorológica Direção do vento é também expressa em termos do ângulo formado pelo vetor vento e a direção norte. Direção ngulo Nordeste 450 Sudeste 1350 Sudoeste 2250 Noroeste 3150 Parte 3 30

Movimento vertical w>0 → w<0 Movimento ascendente. → Movimento descendente ( Subsidência). Parte 3 31

Movimento vertical Altura (z) subsidência w < 0 convecção w > 0 Superfície Parte 3 32

Camadas Atmosféricas TERMOSFERA MESOSFERA ESTRATOSFERA TROPOSFERA Fonte: Meteorology Today Parte 3 33

Estabilidade Térmica Altura (z) Observação Temperatura (T) T(0) Parte 3 34

Camada é MUITO estável Os movimentos verticais são FORTEMENTE restringidos. É o que ocorre na estratosfera e mesosfera (ou muito próximas ao solo em noites de inverno). A restrição ao movimento vertical ascendente impede totalmente a formação de nuvens nestas duas camadas. Parte 3 35

A Poluição atmosférica aumenta com estabilidade térmica da atmosfera Parte 3 36

Camadas – Composição Química Heterosfera Homosfera Fonte: Meteorology Today Parte 3 37

Gases Permanentes e variáveis A atmosfera é uma mistura de gases permanentes e variáveis. A composição dos gases permanentes permanece constante até 100 km – na homosfera. Acima da homosfera, onde a composição dos gases permanentes varia, tem-se heterosfera. Parte 3 38

Composição química da atmosfera A atmosfera da Terra é composta basicamente de Nitrogênio (N 2), cerca de 78%, e Oxigênio (O 2), cerca de 21% com pequenas concentrações de outros gases como: argônio (Ar), vapor de água (H 2 O) e dióxido de carbono (CO 2) perfazendo menos de 1% do total. Além dos gases, a atmosfera contém partículas sólidas e líquidas em suspensão denominadas aerossóis (em inglês “aerosol”). Aerossol é outra denominação para material particulado. As nuvens são compostas de gotículas de água e /ou cristais de gelo. Parte 3 39

Composição química da atmosfera Parte 3 40

Variação da composição da atmosfera Parte 3 41

4. 7 bilhoes de anos atrás: ¨ A proto-Terra era formada basicamente de silicio, ferro, niquel e seus oxidos), com uma fina atmosfera primordial de hidrogenio e helio (e traços de argonio, neonio e criptonio). 4. 7– 4. 3 bilhoes de anos atrás : ¨ O planeta forma uma densa bola compactada com núcleo fundido de ferro e níquel devido à pressão e altos níveis de radioatividade. ¨ Grande parte do hidrogenio e helio “escapa” para o espaço sideral ou é removido pelo vento solar. ¨ ¨ A atmosfera fica cada vez mais fina, consistindo somente de traços de hidrogenio e helio e ainda de argonio, neonio e criptonio. Parte 3 42

4. 3– 4. 0 bilhoes de anos atrás : ¨ Através de fissura da crosta, “volcanic outgassing” lançou vastas quantias de hidrogenio (H 2), nitrogenio (N 2), água (H 2 O), monoxido de carbono (CO), dioxido de carbono(CO 2), amonia (NH 3) e metano (CH 4) na atmosfera. ¨ Grande parte do vapor de H 2 O condensa e forma os oceanos. ¨ Como resultado dos tres processos (do próximo slide), o ar fica consistuido principalmente de N 2, CO 2 e CH 4, com traços de H 2, He, Ar, Ne, Kr, H 2 O, CO e NH 3. ¨ Sem oxigenio (O 2)! ¨ Adicional/e, como CO 2 e CH 4 são gases ‘estufa’, o clima ficou muito mais quente que o atual, mais de 10 o. C. Notar que exceto pelo Oxigenio, quase toda a atmosfera da Terra vem do interior do planeta! Parte 3 43

Processo “Equação” Dissociação do NH 3 2 NH 3 + uv N 2 + 3 H 2 Conversão de parte da H 2 O e a gde parte do CO H 2 O + CO + Luz solar H 2 + CO 2 (Como H 2 O gerou os oceanos, chuva, erosão e marés intemperismo- começaram à alterar a surperficie da terra/Terra) Formação de Carbonato (CO 2 absorção) Ca. O + CO 2 Ca. CO 3 Mg. O + CO 2 Mg. CO 3) Resumo: a maioria do H 2 e He escapou; N 2 mantevesse acumulando pois não reage com nada A H 2 O foi condensada em oceanos ou convertida; A maioria do CO foi convertido; CO 2 foi acumulado, ainda que a maioria foi absorvido pelo intemerismo (“weathering”); a maior parte do NH 3 dissociou-se; e CH 4 foi acumulado (sem reagir neste ponto). Parte 3 44

4. 0– 3. 8 bilhoes de anos atrás : ¨ O vulcanismo diminui drasticamente enquanto que a formação de rochas com carbonatos aumentou, diminuindo os níveis de CO 2. ¨ N 2 e CH 4 continuaram a se acumular. ¨ A superficie da Terra continua impropria à vida com altos níveis de metano e radiação ultravioleta solar. ¨ Entretanto, a combinação deste UV, raios, radioatividade e bombardeamento de meteoritos, complexas moléculas organicas (proteinas, aminoacidos, e talvez o DNA) são criadas. ¨ Aparecimento a primeira forma de vida bacteriana aquatica. A vida começa a despeito de uma atmosfera inóspita! Parte 3 45

3. 8– 2. 5 bilhoes de anos atrás : ¨ Alguns organismos aquaticos desenvolvem a “fotossíntese”: Processo “Equação” 6 H 2 O + 6 CO 2 + sunlight C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 (forma a glicose, começa a liberação de oxigenio na atmosfera terrestre!) ¨ Por 2. 5 bilhões de anos, o oxigenio acumulado em um nível de 1% (volume). Parte 3 46

2. 5 bilhoes de anos atrás – 600 milhoes de anos atrás : ¨ Devagar mas constante/e, o processo evolucionário e a fotossíntese continua. ¨ Organismos multicelulares aparecem na explosão cambriana (500 mi). ¨ O oxigenio continua a se acumular alcaçando cerca de 10% do volume. ¨ Vida for a da água (oceanos) ainda não é possível devido ao UV e elevados níveis de metano. Parte 3 47

600– 3 milhoes de anos atrás : ¨ A atividade vulcanica diminui mais ainda com dois processos (próximo slide) completam a alteração da atmosfera. ¨ Entre 450 mi e 350 mi de anos atrás, plantas terrestres e anfibios começam a aparecer, e o oxigenio aproxima-se dos valores atuais, mas com oscilações (ver slide para frente). ¨ o CO 2 atinge valores de 280 ppm (mais também oscila) and muito pouco CH 4 (800 ppb), a camada protetora de ozonio se fortalece. ¨ Grande diversidade de formas de vida, a despeito de ocasionais extinções em massas (250 mi e 65 mi). Parte 3 48

Processo Conversão do CH 4 “Equação” 2 CH 4 + 3 O 2 4 H 2 O + 2 CO (Isto eliminou gde parte do tóxico metano. ) Ozone produção 3 O 2 + uv 2 O 3 (Criando a “camada de ozonio” que veremos adiante) Parte 3 49

Evidencias da variação da concentração de O 2 Cretáceo: conc. entre 28% e 32%. Parte 3 50

Evidencias atuais da variação do CO 2 Parte 3 51

Lei dos gás ideal Um gás é considerado ideal quando a sua pressão (p), temperatura (T), volume (V) e a massa (m) obedecem a seguinte relação: R é a constante do gás. Parte 3 52

Princípio de Avogadro: dois volumes (V) iguais de gases nas mesmas condições de temperatura (T) e pressão (p) contêm o mesmo número de moléculas. Número de Avogadro é o número de moléculas contidas em um quilomol (kmol) de gás (6, 022 x 1026 moléculas). Parte 3 53

Lei do gás ideal Existem outras formas equivalentes de expressar a lei do gás ideal. Considerando n como o número moles de gás contido em uma quantidade de massa de ar m: R* é a constante do gás ideal (8314 J kmol-1 K-1 ). Parte 3 54

Atmosfera é um gás ideal As observações indicam que a atmosfera é composta por uma mistura de gases satisfazem a lei do gás ideal. A lei do gás ideal é também conhecida com equação de estado de um gás. O que é um gás ideal: pergunta Parte 3 55

Equação de estado para a Atmosfera No caso da atmosfera a equação de estado assume a seguinte forma: ρ é a densidade do ar, T a temperatura dada em Kelvin Rd é a constante do ar seco (287 J kg-1 K-1). Parte 3 56

Peso Molecular Peso molecular (M) é a massa, em quilogramas, do gás contida em um quilomol. O peso molecular do ar seco (Md) pode ser calculado a partir da relação: Rd é a constante do ar seco (287 J kg-1 K-1). Parte 3 57

Concentração dos gases atmosféricos e seus pesos moleculares Parte 3 58

Exercício 3 § Calcule o peso molecular médio da atmosfera marciana, dados § Dióxido de carbono 93, 5% § Nitrogenio molecular 2, 5% § Argonio 1, 5% § Oxigenio molecular 2, 5% Parte 3 59

Livre caminho médio Distribuição vertical de pressão (mb; ---), densidade (g. m-3; ___ ) e livre caminho médio (m; _. _) da moléculas de ar na atmosfera da Terra. (Fonte: Atmospheric Science, Wallace e Hobbs). Parte 3 60

Livre caminho médio é a distância média percorrida por uma molécula de gás entre dois choques consecutivos. l 3 ln l 1 l 2 Parte 3 61

Difusão Molecular Difusão molecular é o transporte espacial de uma propriedade resultante do movimento aleatório das moléculas de um gás. A difusão molecular é um processo que produz uma atmosfera na qual o peso molecular da mistura de gases diminui com a altura. Parte 3 62

Mistura devido ao movimento macroscópico do ar Mistura causada pelo movimento macroscópico do ar não discrimina as moléculas pelo peso molecular, produzindo uma atmosfera onde a composição independe da altura. Mistura turbulenta. Parte 3 63

Homosfera A atmosfera é uma mistura de gases permanentes e variáveis. A composição dos gases permanentes permanece constante até 100 km – na homosfera. Acima da homosfera, onde a composição dos gases permanentes varia, tem-se heterosfera. Na heterosfera, o livre caminho médio das moléculas é muito maior (>> 0, 1 m) e o processo de difusão molecular determina a mistura dos gases atmosféricos. Parte 3 64

Heterosfera Região da atmosfera onde a composição dos gases permanentes varia com a altura. Parte 3 65

Camada de Ozônio A região da estratosfera onde está localizado ozônio é denominada de camada de ozônio. Esta camada encontra-se na região entre 20 e 30 km da superfície e é onde o ozônio atinge concentrações da ordem de 12 ppm. CFC interferem nesta formação como veremos adiante. Parte 3 66

Ozônio Estratosférico Parte 3 67

Ozônio Estratosférico e Troposférico mais detalhes adiante Parte 3 68

Ionosfera Fonte: Wallace & Hobbs Parte 3 69

Magnestosfera Parte 3 70

Eletrosfera Parte 3 71

Fenômenos atmosféricos da eletrosfera Parte 3 72

Outras camadas da Terra Litosfera: representa a porção sólida da Terra. Camada sólida exterior da Terra constituída da crosta e parte superior do manto. Biosfera: representa toda a área da superfície da Terra, atmosfera e do mar que é habitada por seres vivos. Também chamada de ecosfera. Biota: representa todos os organismos vivos em uma determinada área - quantidade total de animais e plantas em uma área em particular. Hidrosfera: região da superfície da Terra composta por água, incluindo os mares e a água contida nos oceanos. Parte 3 73

Outras camadas da Terra Criosfera: representa a parte congelada da superfície da Terra, ela inclui as calotas polares, camadas de gelo continentais, geleiras, gelo do oceano e a “permafrost” (solo congelado). Parte 3 74