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CAPÍTULO 4. COMPOSIÇÃO E ESTRUTURA DA ATMOSFERA
Ednaldo Oliveira dos Santos
4.1. Introdução
A atmosfera é a camada gasosa, relativamente fina, que circunda o Planeta, sendo fundamental à vida na Terra. Ela é constituída por uma mistura mecânica de gases , vapor d´água e partículas sólidas em suspensão (Figura 4.1). Esta mistura que envolve a Terra acompanha os seus movimentos de rotação e translação, devido à atuação da força da gravidade sobre a atmosfera (AYOADE, 1986).
Figura 4.1.Imagem mostrando a atmosfera da Terra.
Não existe um limite superior para a atmosfera, no sentido físico, verificando-se apenas progressiva rarefação do ar com a altitude. Em relação à Meteorologia, normalmente se considera que a atmosfera terrestre possui cerca de 80 a 100 km de espessura. Deve-se considerar que essa camada, predominantemente gasosa, é muito delgada quando comparada com o raio médio do Planeta (6.371,229 km). Realmente, a espessura da atmosfera representa apenas cerca de 1,6% desse raio. Porém, a parte mais importante da atmosfera, sob o ponto de vista meteorológico (Troposfera) não atinge 20 km de altitude e, representa somente 0,3% do raio do Planeta (VAREJÃO-SILVA, 2006).
Portanto, a atmosfera atua como sede dos fenômenos meteorológicos, sendo também determinante na qualidade e quantidade da radiação solar que atinge a superfície terrestre (PEREIRA et al. , 2002).
4.2. Composição da Atmosfera
A maior parte da atmosfera é constituída por reduzido número de elementos gasosos, contudo existe um número elevado de constituintes num volume pequeno. A atmosfera pode ser caracterizada também por um grupo de gases com concentração aproximadamente constante no tempo e no espaço , denominado de “fixos” ou matriz atmosférica e, outro grupo, sem concentração constante , chamados de “variáveis”. A matriz atmosférica possui tempo de residência longo, da ordem de 10^6 anos para o Hélio (He), o mais curto dentre eles. Contudo, existem outros gases chamados de variáveis, que participam dos ciclos biogeoquímicos (carbono, nitrogênio, entre outros) e apresentam tempo de residência relativamente curto (décadas ou menos) (Figura 4.2) (VIANELLO ALVES, 2000). Assim, a atmosfera pode ser considerada composta por dois conjuntos de gases: componentes fixos (matriz) e as componentes variáveis.
# Componentes Fixos : mistura de gases, com predominância do nitrogênio – N 2 (78%) e do oxigênio – O 2 (20,9%). Os demais gases nobres (hélio, neônio, argônio, xenônio e criptônio) somados constituem menos de 1% do total.
# Componentes Variáveis : composto principalmente por vapor d’água, dióxido de carbono (CO 2 ), metano (CH 4 ) e ozônio (O 3 ).
Na análise da composição do ar é conveniente suprimir o vapor d´água, exatamente porque sua concentração é extremamente variável (0 a 4% do volume da atmosfera) no espaço e no tempo, e assim, altera as proporções dos demais constituintes. Quando se desumidifica totalmente o ar, obtém-se o chamado “ar seco” (Capítulo 6). A composição média do ar seco é praticamente constante até cerca de 25 km de altitude (Tabela 1).
Eventuais desvios da composição média do ar seco são devidos, principalmente, às variações observadas na concentração do dióxido de carbono (próximo à superfície) e do ozônio (em níveis elevados). Para fins meteorológicos é importante avaliar os processos que ocorrem na Troposfera, camada localizada da superfície até cerca de 20 km de altitude. É na Troposfera que ocorrem os principais fenômenos meteorológicos: chuvas, furacões, entre outros, além da formação de nuvens. A temperatura nessa camada sofre variação à medida que ocorre o aumento de altitude. Em média, para cada 100 metros de altitude (com o ar estacionário) ocorre diminuição de 0,6 °C na temperatura do ar. Além de gases, a atmosfera terrestre contém também pequenas partículas sólidas em suspensão com diâmetro entre 10-3^ a 10^2 m. No caso das partículas sólidas, com exceção do gelo, usa-se normalmente o temor aerossol. A maior concentração de aerossóis é observada na baixa atmosfera (Troposfera), próximo a sua fonte principal, a superfície da Terra (continentes e oceanos). Os aerossóis podem originar-se de incêndios florestais, erosão do solo pelo vento, cristais de sais marinhos dispersos pelas ondas, emissões vulcânicas e por atividades agrícolas e industriais. Alguns aerossóis podem originar-se na parte superior da atmosfera, como a poeira dos meteoros que se desintegram. Embora a concentração dos aerossóis seja relativamente pequena, eles participam de processos meteorológicos importantes. Em primeiro lugar, alguns aerossóis agem como núcleos de condensação para o vapor d'água e são importantes para a formação de nevoeiros, nuvens e precipitação. Em segundo lugar, alguns podem absorver ou refletir a radiação solar e absorver a radiação terrestre (Capítulo 5), e assim, influenciam no balanço de radiação e na temperatura do ar. Assim, quando ocorrem erupções vulcânicas com expressiva liberação de poeira, a radiação solar que atinge a superfície da Terra pode ser sensivelmente alterada. Em terceiro lugar, a poeira no ar contribui para um fenômeno ótico conhecido como espalhamento, que entre outros resulta, por exemplo, nas várias tonalidades de vermelho e laranja no nascer e pôr-do- sol (GRIMM, 2007). A seguir são apresentadas informações acerca dos principais gases presentes na atmosfera.
4.2.1. Nitrogênio (N 2 )
Embora seja o constituinte mais abundante da atmosfera (representa cerca de 78%), o nitrogênio , paradoxalmente, não desempenha nenhum papel relevante, em termos químicos ou energéticos, nas proximidades da superfície terrestre. Na alta atmosfera, no entanto, esse gás absorve certa quantidade de energia solar de pequeno comprimento de onda (principalmente no ultravioleta), passando à fórmula atômica. Contudo, deve resaltar que, em geral, o nitrogênio presente na molécula de vários compostos orgânicos vegetais (proteínas) não é oriundo da atmosfera, mas do solo. São conhecidos apenas alguns seres vivos que têm capacidade de fixar esse elemento químico a partir do nitrogênio atmosférico. Citam-se, dentre estes, algumas algas, as rizobactérias (normalmente encontradas nos nódulos das raízes de plantas das leguminosas) e determinados microrganismos do solo (Figura 4.3).
Figura 4.3. Processos relacionados ao ciclo do nitrogênio.
O oxigênio gasoso, que abastece hospitais e indústrias, comercialmente vendidos em cilindros de alta pressão, pode ser obtido por meio de um processo de separação do ar, utilizando peneira molecular, chamado adsorção com alternância de pressão. Ele também pode ser gerado no local de utilização por meio de máquinas que utilizam compressores, filtros, secadores de ar e concentradores de oxigênio com peneira molecular.
4.2.3. Vapor D’Água (H 2 O)
A concentração de vapor d'água na atmosfera, embora relativamente pequena, pois raramente ultrapassa 4% em volume, é bastante variável e, geralmente, diminui com a altitude. Ele encontra-se principalmente na Troposfera (75% de todo o vapor d'água está abaixo de quatro mil metros de altitude). Apesar de sua baixa concentração (0 – 4 %), o vapor d’água é um constituinte atmosférico muito importante por influenciar na distribuição da temperatura no Planeta: em primeiro lugar porque participa ativamente dos processos de troca de calor sensível pela atmosfera (condensação); em segundo lugar atua como veículo de energia ao transferir calor latente (evaporação) de uma região para outra, o qual é liberado como calor sensível, quando o vapor se condensa e terceiro o vapor d'água na atmosfera atua como termorregulador em função do elevado calor específico da água. Além disso, deve-se ressaltar que o vapor d’água é o único constituinte da atmosfera que muda entre os três estados da matéria (liquido, sólido e gasoso - vapor d'água) em condições naturais e, em consequência disto, é o responsável pela origem das nuvens e por uma vasta série de fenômenos hidrometeorológicos importantes (orvalho, chuva, neve, entre outros) (Capítulo 8). Adicionalmente, sua proporção na atmosfera determina o nível de conforto ambiental (Figura 4.5). O ar, em algumas áreas, como desertos, pode estar praticamente isento de vapor d’água, enquanto em outras pode chegar a ao nível de saturação, algo muito comum nas regiões equatoriais ou nos trópicos úmidos, onde a precipitação pluvial é constante todo o ano.
Figura 5.5. Exemplo de vapor d’água na atmosfera.
4.2.4. Dióxido de Carbono (CO 2 ) O dióxido de carbono é essencial à vida no planeta, visto que é um dos compostos essenciais para a realização da fotossíntese - processo pelo qual os organismos fotossintetizantes transformam a energia solar em energia química. Esta energia química, por sua vez é distribuída para todos os seres vivos por meio da cadeia alimentar. A fotossíntese é uma das fases do ciclo do carbono e é vital para a manutenção dos seres vivos (Figura 4.6). O carbono é um elemento básico na composição dos organismos, tornando-o indispensável para a vida no planeta. Este elemento é estocado na atmosfera, nos oceanos, solos, rochas sedimentares e está presente nos combustíveis fósseis. Contudo, o carbono não fica fixo em nenhum desses estoques. Existe uma série de interações por meio das quais ocorre a transferência de carbono de um estoque para outro. Muitos organismos nos ecossistemas terrestres e nos oceanos, como as plantas, absorvem o carbono encontrado na atmosfera na forma de dióxido de carbono (CO 2 ). Esta absorção se dá através do processo de fotossíntese. Por outro lado, os vários organismos, tanto plantas como animais, libertam dióxido de carbono para a atmosfera mediante o processo de respiração. Existe ainda o intercâmbio de dióxido de carbono entre os oceanos e a atmosfera por meio da difusão.
Juntamente com o dióxido de carbono, o metano é um dos principais gases de efeito estufa. Atualmente está se discutindo sua contribuição para o aquecimento global. As emissões desse gás pra a atmosfera são feitas principalmente por atividades antrópicas, em especial, pela criação de gado bovino. Estima-se que a quantidade de metano na atmosfera seja de 1,7 ppm (partes por milhão).
Figura 5.7. Exemplo de atividades relacionadas à emissão do metano.
4.2.6. Ozônio (O 3 ) O ozônio é uma molécula composta por três átomos de oxigênio. Forma-se quando as moléculas de oxigênio (O 2 ) se dissociam (‘rompem’) devido à absorção de radiação ultravioleta (fotodissociação), e os átomos separados combinam-se individualmente com outras moléculas de oxigênio (Figura 4.8). Ele é um gás à temperatura ambiente, instável, altamente reativo e oxidante. Uma notável característica deste gás é sua capacidade de absorver radiação ultravioleta, na faixa de comprimento de onda entre 220-320 nm, o que o torna um ‘escudo’ natural da Terra (camada de ozônio) para os seres humanos e a outras formas de vida, visto que esses comprimentos de onda estão associados a elevadas quantidades de energia, sendo nocivos aos seres vivos.
O ozônio é encontrado desde níveis próximos a superfície terrestre até cerca de 100 km de altitude. A camada compreendida entre 10 e 70 km, por ser a de maior concentração em ozônio, é conhecida como Ozonosfera ou Estratosfera. A concentração desse gás varia com a latitude, com a época do ano, com a hora do dia e, ainda, com a maior ou menor disponibilidade de radiação solar e maiores ou menores temperaturas do ar. Quando se considera a média espaço-temporal para todo o Planeta, a maior parte da concentração de O 3 se situa em torno de 35 km de altitude (DOBSON, 1968). As descargas elétricas que se observam na atmosfera também produzem ozônio, porém, a quantidade formada é insignificante quando comparada àquela devido ao processo de reação fotoquímica.
Figura 5.8. Representação esquemática do processo de formação do ozônio.
4.2.7. Partículas Sólidas (PS) As partículas sólidas em suspensão englobam todas as matérias sólidas existentes no ar. Elas podem ser de origem mineral ( sílica, carbono resultante de combustões incompletas, fibras de vidro, entre outros) ou orgânica (polén, sementes, algumas fibras, fungos, bactérias, entre outros). Os principais tipos de partículas inorgânicas:
Origem mineral : SiO 2 (óxido de silício) ,FeO (óxido de ferro);
Produtos de combustão: C, SO 2 , H2SO 4 ; Sais: NaCl, MgSO 4 , CaSO 4 ; Poeiras de origem vulcânicas: vulcões.
Núcleos de Condensação (NC)
Dentre as partículas sólidas suspensas na atmosfera, os núcleos de condensação são os mais importantes. Na atmosfera existem inúmeros tipos de partículas em suspensão, oriundas do oceano, do próprio solo, de erupções vulcânicas, de meteoritos, entre outras e, evidentemente, da combustão e de outras atividades humanas (poluição). Quando o processo de condensação (ou sublimação) se inicia na superfície dessas partículas costuma-se dizer que elas se tornaram ativas. Assim, estas partículas são denominadas genericamente como núcleos de condensação. Os principais exemplos de NC são: cloreto de sódio e de magnésio (sais marinhos) e óxidos de ferro e enxofre (Figura 4.10). Observa-se que os núcleos de cloreto de sódio são provenientes da evaporação de gotículas d’água salgada retiradas do oceano pela ação do vento, enquanto que aqueles de óxidos de ferro e enxofre seriam derivados dos produtos de combustão, principalmente industrial e do setor automotivo, além de no caso do enxofre, das erupções vulcânicas. Os núcleos de condensação podem originar gotículas d’água a temperaturas superiores ou inferiores a 0oC (gotas sobrefundidas). Na alta Troposfera é comum a existência de gotas d’água sobrefundidas a temperatura tão baixa quanto -10oC, ou mesmo -40oC.
Figura 5.10. Exemplos de núcleos de condensação.
4.3. Estrutura Vertical da Atmosfera
As camadas da atmosfera interagem entre si, trocando propriedades (calor, vapor d’água e outros gases). Não existe um limite físico rígido para a atmosfera. Segundo critério térmico, as camadas da atmosfera se localizam da superfície até 110 km. Para a Meteorologia, baseada no critério térmico, a atmosfera terrestre é dividida em quatro camadas ou esferas isotérmicas: Troposfera , Estratosfera , Mesosfera e Termosfera , separadas por três zonas de transição, Tropopausa, Estratopausa e Mesopausa, respectivamente. Cada camada é caracterizada por uma mudança uniforme de temperatura em função da altitude. Em certas camadas ocorre diminuição da temperatura com aumento da altitude, enquanto em outras a temperatura aumenta com altura crescente. O topo de cada camada é denotado por uma "pausa", onde a temperatura não varia com a altitude (isotérmica), como mostrado na Figura 4.11.
Figura 5.11. Camadas da Atmosfera segundo critério térmico.
4.3.2. Tropopausa
A Tropopausa é o nome da camada intermediária entre a Troposfera e a Estratosfera, situada a uma altura média em torno de 17 km no equador. Essa camada é caracterizada por isotermia (temperatura não varia com a altitude). Nas latitudes médias a temperatura da tropopausa varia de -50 a -55oC, e sua espessura é da ordem de 3 km. A distância da Tropopausa em relação à superfície varia conforme as condições climáticas da Troposfera, da temperatura do ar, a latitude, entre outros fatores. Se existe na Troposfera uma agitação atmosférica, com muitas correntes de convecção, a Tropopausa tende a se elevar. Isto se deve ao aumento do volume do ar na troposfera, este aumentando, por consequência, empurrará a tropopausa para cima. Ao subir a tropopausa esfria, pois o ar acima dela está mais frio.
4.3.3. Estratosfera
Em contraste com a Troposfera, a temperaturas na Estratosfera é o resultado da absorção direta da radiação solar e aumentam com altitude crescente. Apresenta pequena concentração de vapor d'água e temperatura constante até a região limítrofe, denominada Estratopausa. Outra característica distintiva da Estratosfera é a absorção de radiação ultravioleta pelo ozônio (O 3 ). Isto é maior ao redor de 50 km, próximo a Estratopausa, que é também onde as temperaturas atingem valor máximo (0 oC no topo), dependendo da latitude e estação. Quanto aos movimentos atmosféricos, vale ressaltar que, nesta camada, devido a seu perfil estável de temperatura – “frio” por baixo, e “quente” por cima -, observa-se ausência quase completa de movimentos verticais.
Figura 5.13. Imagem mostrando a Estratosfera.
4.3.4. Estratopausa A Estratopausa é a camada de transição que está situada entre a Estratosfera e Mesosfera. Caracteriza-se, em relação à temperatura, pela isotermia, com temperatura em torno de 0oC, e tendo sua espessura média entre 3 a 5 km.
4.3.5. Mesosfera
Na Mesosfera a temperatura diminui substancialmente com a altitude, chegando até a -90º C em seu topo. Esta camada situada entre a Estratopausa em sua parte inferior e a Mesopausa em sua parte superior, entre 50 a 85 km de altitude (Figura 4.14). É na Mesosfera que ocorre o fenômeno da aeroluminescência^2 das emissões da hidroxila, que geralmente é confundida com as auroras.
(^2) Aeroluminescência, ou quimiluminescência é o fenômeno da luminescência na atmosfera diurna; é causada pela emissão de fótons pelos átomos ou moléculas de oxigênio, em especial devido à absorção da radiação ultravioleta e raios-X.
Isso ocorrer porque as temperaturas são definidas em termos da velocidade média das moléculas. Como as moléculas dos gases da termosfera se movem com velocidades muito altas, a temperatura é obviamente alta. Contudo, a densidade é tão pequena que poucas destas moléculas velozes colidiriam com um corpo estranho; portanto, só uma quantidade insignificante de energia seria transferida. Assim, a temperatura de um satélite em órbita seria determinada principalmente pela quantidade de radiação solar que ele absorve e não pela temperatura do ar circundante.
Figura 5.15. Imagem mostrando a termosfera.
4.4. Importância da Atmosfera
A atmosfera terrestre, por sua composição e estrutura, interage simultaneamente com a radiação solar e terrestre e a superfície terrestre, e assim, estabelece um sistema de trocas energéticas que explica diversos fenômenos que afetam a vida no Planeta. Esta camada é essencial para a vida e o funcionamento ordenado dos processos físicos e biológicos sobre a Terra. A atmosfera protege os organismos da exposição a níveis arriscados de radiação ultravioleta, contém os gases necessários para os processos vitais de respiração celular e fotossíntese e fornece a água necessária para a vida.
Na ausência da atmosfera, a vida de nosso Planeta seria bastante difícil, pois teríamos um aquecimento significativo durante o dia e resfriamento durante a noite. Isso só não ocorre devido à presença de certos gases na atmosfera, que devido à sua natureza química, principalmente estrutura molecular, absorvem e reemitem uma fração significativa da radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre. Esses gases são conhecidos como gases de efeito estufa (GEE). Se não existisse o efeito estufa a temperatura média do planeta seria aproximadamente 34oC inferior a temperatura média observada atualmente, que é de 15oC. Portanto, ele é de extrema importância para a manutenção da vida no planeta. Os principais gases naturais de efeito estufa são: vapor d’água, que causa 36- 70% do efeito estufa sobre a Terra (não incluindo as nuvens); dióxido de carbono, que causa 9-26%; metano, que causa 4-9% e ozônio, que causa 3-7%. Há outros gases de efeito estufa, tais como, óxido nitroso, hexafluoreto de enxofre, hidrofluorcarbonos, perfluorcarbonos e chorofluorcarbonos. Cabe ressaltar que não é possível dizer com certeza que certo gás cause determinada porcentagem do efeito estufa, porque as influências dos vários gases não são aditivas. Em síntese, grande parte do efeito estufa natural se deve à presença da concentração da água na atmosfera: vapor d’água (85%) e partículas de água (12%).
