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MET-222-2 Termodinâmica da Atmosfera e Física de Nuvens

2015

Atmosfera média

Material de estudo complementar #1

Slides anotados

Autor: Marcos Daisuke Oyama (IAE)

Data: março de 2015

Este arquivo contém o material de estudo complementar #1. O material deve ser estudado em

casa antes de TER-2, e consiste em slides anotados, ou seja, cada slide é seguido de uma

explicação. Não há bibliografia específica, pois os conteúdos deste material são encontrados

em vários livros. Solicita-se que as eventuais dúvidas sejam enviadas diretamente ao

autor/docente (marcos.oyama@ymail.com).

O objetivo deste estudo complementar é abordar algumas características da atmosfera média

(perfis verticais de densidade, pressão e temperatura; camadas associadas à composição, etc.),

estendendo o que foi apresentado brevemente na aula #1 (perfis até 30 km).

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Para estudar a atmosfera média, utilizaremos a atmosfera-padrão de 1962, conhecida como

1962 U. S. Standard Atmosphere. Trata-se de uma referência clássica, com aspectos pontuais

atualizados posteriormente, e ainda muito utilizada atualmente. O grande mérito da atmosfera-

padrão é que os perfis se baseiam em dados observados de diferentes plataformas, como

radiossondagens, foguetes meteorológicos, etc.

No slide, podemos notar que, enquanto a pressão e a densidade possuem um comportamento

monotônico (ou monótono) – no caso, decaem com a altura –, a temperatura aumenta ou

diminui com a altura dependendo da camada. Na camada mais próxima à superfície (i.e.,

da superfície até cerca de 12 km de altura), conhecida como troposfera, a a temperatura

descresce com a altura (conforme visto na aula #1).

No slide, destacam-se os valores de pressão, densidade e temperatura à superfície. Memorizar

os seus valores aproximados (1000 hPa, 1 kg m-3

e 15°C).

Para a pressão e densidade, em todo o perfil,

de altura (H) entre 7 e 8 km. Na escala de altura (i.e., quando

corresponde a e-1

(≅ 1/3) do valor à superfície

Para a temperatura, a relação com a altura

camada, o lapse rate (Γ = –dT/dz

uma reta em cada camada. Logo, em cada camada,

refere-se à base da camada.

em todo o perfil, o decaimento é quase-exponencial

Na escala de altura (i.e., quando z = H), o valor da variável

do valor à superfície (p0 ou ρ0). Memorizar o valor de H

com a altura é linear por partes; isso significa que, em cada

dz) pode ser considerado constante, i.e., relação entre

. Logo, em cada camada, T = Tb – Γ(z – zb), onde o subscrito

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exponencial com escala

), o valor da variável

H (7 a 8 km).

é linear por partes; isso significa que, em cada

i.e., relação entre T e z é

), onde o subscrito b

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Da superfície para cima, as camadas atmosféricas são:

� troposfera, com lapse rate positivo e igual a aproximadamente 6,5 K km-1

;

� tropopausa, com lapse rate nulo;

� estratosfera, com lapse rate negativo (ou seja, T cresce com a altura, o que é chamado

de inversão);

� estratopausa, com lapse rate nulo;

� mesosfera, com lapse rate positivo;

� mesopausa, com lapse rate nulo;

� termofera, com lapse rate negativo (inversão).

As “pausas” (tropopausa, estratopausa e mesopausa; cor azul no slide) são camadas

isotérmicas, ou seja, possuem o lapse rate nulo. Memorizar o valor do lapse rate médio na

troposfera (6,5 K km-1

).

Por que o perfil de temperatura mostra mudanças tão grandes de

As camadas isotérmicas (“pausas”) marcam a transição entre

decrescendo com a altura) e negativo (

decrescer com a altura; logo,

aquecimento intenso e localizado

Da superfície para cima, o primeiro local de aquecimento intenso

ocorre absorção de radiação solar incidente

decresce com a altura (comportamento “default”). Mas

porque, na estratosfera, ocorre forte

ozônio (O3), o que leva a uma inversão. Acima da estratosfera, a temperatura volta a

descrescer com a altura (mesosfera). Mas esse comportamento novamente não se mantém

porque, na termosfera, ocorre forte aquecimento dev

oxigênio (O2). Assim, a absorção de radiação solar por O

encontradas na atmosfera média acima da superfície.

mostra mudanças tão grandes de lapse rate?

As camadas isotérmicas (“pausas”) marcam a transição entre lapse rate positivo

decrescendo com a altura) e negativo (inversões). Por “default”, a temperatura

logo, todo o perfil teria lapse rate positivo se não

aquecimento intenso e localizado em algumas porções do perfil.

Da superfície para cima, o primeiro local de aquecimento intenso é a própria superfície

absorção de radiação solar incidente. Mais acima, na troposfera, a temperatura

decresce com a altura (comportamento “default”). Mas esse comportamento não se mantém

, ocorre forte aquecimento devido à absorção de radiação solar por

uma inversão. Acima da estratosfera, a temperatura volta a

(mesosfera). Mas esse comportamento novamente não se mantém

, ocorre forte aquecimento devido à absorção de radiação solar por

. Assim, a absorção de radiação solar por O3 e O2 é responsável pelas inversões

encontradas na atmosfera média acima da superfície.

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positivo (temperatura

temperatura tende a

positivo se não houvesse

superfície, onde

troposfera, a temperatura

esse comportamento não se mantém

absorção de radiação solar por

uma inversão. Acima da estratosfera, a temperatura volta a

(mesosfera). Mas esse comportamento novamente não se mantém

absorção de radiação solar por

pelas inversões

A termosfera se estende de ~100 km a ~500 km e é uma camada com

(inversão) e temperaturas elevadas. A temperatura elevada na termosfera

sensação (macroscópica) de “quente”; significa somente que a

moléculas é grande. A sensação é de “

moléculas é muito pequena (devido à pouca densidade do

A temperatura na termosfera depende da atividade solar

a temperatura pode chegar a 1000

A transição para o espaço ocorre na

A termosfera se estende de ~100 km a ~500 km e é uma camada com lapse

(inversão) e temperaturas elevadas. A temperatura elevada na termosfera não corresponde à

sensação (macroscópica) de “quente”; significa somente que a energia cinética média das

moléculas é grande. A sensação é de “muito frio” porque a frequência de colisão entre as

pequena (devido à pouca densidade do ar).

A temperatura na termosfera depende da atividade solar. Em anos com maior atividade solar,

a temperatura pode chegar a 1000°C (sendo 500°C a temperatura com atividade solar média).

A transição para o espaço ocorre na exosfera, que se estende de ~500 km a ~10 mil km.

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rate negativo

não corresponde à

energia cinética média das

frequência de colisão entre as

atividade solar,

a temperatura com atividade solar média).

mil km.

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Em termos de composição, a atmosfera pode ser dividida em duas camadas:

� Na homosfera, camada que vai da superfície até ~100 km (turbopausa), a composição

dos principais gases é constante.

� Na heterosfera, acima da turbopausa, a composição varia conforme a altura. Na baixa

heterosfera, a composição é semelhante à da homosfera; na alta heterosfera, há

predominância de gases com menor massa molecular (como os gases H2 e He); os de

maior massa molecular, como N2 e O2, ficam confinados à baixa heterosfera.

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O limite superior da atmosfera varia conforme a fonte. De acordo com a Fédération

Aéronautique Internationale (FAI), o limite superior é de 100 km (que corresponde à

turbopausa), e esse limite é também utilizado para separar as atividades aeronáuticas (aviões)

das astronáuticas (foguetes). Outros consideram o limite de 1000 km (início da exosfera) e há

os que consideram 10 mil km (fim da exosfera). Para os propósitos meteorológicos, a maior

parte dos fenômenos ocorre abaixo de algumas dezenas de km de altura; assim, o critério da

FAI pode ser adotado.

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O slide contém o resumo das camadas da atmosfera. Note que o limite superior da atmosfera

varia de 100 a 10 mil km conforme a fonte.

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Exercício resolvido

Mostre que mais de 98% da massa da atmosfera concentra-se nos primeiros 30 km. Utilize a

relação empírica (decaimento exponencial com escala de altura entre 7 e 8 km).

Resolução:

A massa contida no elemento diferencial mostrado ao lado é dada

por:

AdzdVdm ρ=ρ= .

Logo, integrando de 0 a uma altura z, a massa da coluna por

unidade de área é dada por:

( )

( )∫ ′′ρ=z

zdzA

zm

0

.

Utilizando a relação empírica:

( )Hz−ρ=ρ exp0 ,

obtém-se:

( )

( )[ ]HzHA

zm−−ρ= exp10

.

Logo:

( )( )

( )Hzm

zm−−=

∞exp1 .

Para z igual a 30 km e H igual a 7,5 km, temos que a razão é igual

a 98,2%.

A quase totalidade da massa da atmosfera está concentrada nos primeiros 30 km. Se

compararmos esse valor com o raio da Terra, podemos entender a “aproximação de fluido

raso” feita em Meteorologia (ver em Dinâmica da Atmosfera) – de fato, a atmosfera é um

fluido bem raso se compararmos as dimensões horizontal e vertical. No slide, isso é ilustrado:

a atmosfera aparece como uma fina casca sobre a Terra.