ATMOSFERA Estrutura e composição IGcUSP Sonia MB Oliveira.
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ATMOSFERAEstrutura e composição
IGcUSPSonia MB Oliveira
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A ATMOSFERA TERRESTRE
Decifrando a Terra cap. 4
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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
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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
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1. Estrutura da atmosfera
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Fluidos compressíveis e incompressíveis: o ar é um fluido compressível
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Fluidos compressíveis e incompressíveis: a água é um fluido incompressível
Pressão no oceano cresce 1 atmosfera para cada 10m de profundidade
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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.
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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
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Pressão e temperatura da atmosfera
A 16 km a pressão atmosférica é de 0,1 atm
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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).
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Pressão de vapor da água em função da temperatura
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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.
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2. Movimentação das massas de ar
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Ventos
• Deslocamentos de massas de ar.
• Ar quente sobe, resfria e desce.
• Por causa da rotação da Terra, há desvio das massas de ar.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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3. Composição da atmosfera
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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
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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.
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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
+).
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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)
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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.
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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.
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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
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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).
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O3 na troposfera: 0-0,07 ppm; O3 na estratosfera: 10 ppm
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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-
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Resumo: principal reação na estratosfera
• Formação e destruição do ozônio
O2 → O + O
O + O2 → O3
O3 → O2 + O
O3 + O → 2 O2
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4. Balanço energético na atmosfera
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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
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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%
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Energia refletida : albedo 31 %
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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5. Poluição atmosférica
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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.
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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
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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.