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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA FARROUPILHA CAMPUS SÃO VICENTE DO SUL/RS DISCIPLINA: AGROCLIMATOLOGIA Aula 4: Atmosfera Terrestre Prof. Dr. Ivan Carlos Maldaner A Atmosfera Terrestre Camada gasosa de espessura muito fina que envolve a Terra, sendo fundamental para a manutenção da vida na superfície terrestre A atmosfera atua como sede dos fenômenos meteorológicos e, além disso, é fator determinante na qualidade e quantidade de radiação solar que atinge a superfície terrestre Introdução • A nossa atmosfera tem um papel chave nas condições de existência dos seres vivos: – participa no mecanismo da respiração e no processo (fotossíntese), – intervém no ciclo da água e nos ciclos de vários elementos químicos, – filtra grande parte da radiação ultravioleta nociva proveniente do Sol, – suaviza e regulariza a temperatura, transmite os sons, e produz condições de luminosidade especiais. Principais fatores que determinam a estrutura e dinâmica atmosféricas : • Gravidade (perfil vertical de pressão) • Movimentos da Terra (circulação global, variação diurna e com a época do ano, estratificação em latitude) • Radiação solar (circulação, convecção, absorção, perfil vertical de temperatura, variação da temperatura com a latitude) • Trocas de massa com os outros subsistemas (composição química e perfil de temperatura) Composição da atmosfera terrestre Matriz básica (% em vol. de ar seco): N2 (~78%) O2 (~21%) outros gases (~1%) Outros componentes com concentrações variáveis (muito baixas): CO2 O3 CH4, N2O, CFCs VAPOR D’ÁGUA (até ~ 4%) Apesar da Matriz Básica ser fundamental para a manutenção da vida na superfície terrestre, a concentração dos componentes variáveis apresenta importância física e biológica. Importância Física – no balanço de radiação da Terra, retendo parte das ondas de calor emitidas pela superfície e na atenuação da radiação proveniente do Sol Importância Biológica – suprindo matéria prima para o processo da fotossíntese (CO2) e regulando o processo de transpiração das plantas GÁS FONTES DE EMISSÃO naturais antropogênicas CONCENTRAÇÃO 1750 atual TEMPO DE RESIDÊNCIA NA ATMOSFERA PODER DE AQUECIM. CO2 →Respiração →queima combustíveis fósseis → Decomposição de →mudanças na vegetação material orgânico → queima de biomassa → fabricação de cimento 280 ppmv 370 ppmv 50 - 200 anos 1 CH4 →mat. orgânica em →combustíveis fósseis decomposição →fermentação entérica (pântanos, lagos →arrozais inundados e oceanos ) →dejetos animais →esgotos 700 ppbv 1800 ppb 12 - 17 anos 21 N2O →oceanos , solos →fertilizantes tropicais e →indústria :nylon, ac.nítrico temperados →queima de biomassa e (bactérias) de combustíveis fósseis →modificação do uso do solo →conversão catalítica (carros) 275 ppbv 310 ppbv 120 anos 310 CFCs →propelentes, solventes, refrigeração, espumas 0 ordem de pptv 13 - 102 anos acima de 10.000 Gases de Efeito Estufa – fontes, concentração, tempo de residência e poder de aquecimento em relação ao CO2 Oxigênio e Ozônio • O oxigênio torna possível a vida aeróbia na Terra (oxidação de compostos, respiração) • Formação de ozônio na atmosfera. • Recombinação fotoquímica – Quase todo o ozônio presente no ar – Descargas elétricas Oxigênio e Ozônio • Ozônio: – Próximos da superfície terrestre até cerca de 100 km de altitude. – A camada de 10 e 70 km = ozonosfera (camada mais rica em ozônio) – A concentração varia com a latitude e, em uma dada latitude, com a época do ano, com a hora do dia e, ainda, com a maior ou menor atividade do Sol. – Atividades industriais e queima de combustíveis fósseis pode aumentar a [O3] Oxigênio e Ozônio • Ozônio: – Próximos da superfície terrestre até cerca de 100 km de altitude. – A camada de 10 e 70 km = ozonosfera (camada mais rica em ozônio) – A concentração varia com a latitude e, em uma dada latitude, com a época do ano, com a hora do dia e, ainda, com a maior ou menor atividade do Sol. – Atividades industriais e queima de combustíveis fósseis pode aumentar a [O3] Ozônio • Diminuição da [O3]: – Excesso de radiação solar ultravioleta – Queimaduras na epiderme dos seres vivos – Câncer de pele • Aumento na concentração [O3] – Absorção de toda radiação ultravioleta • Não haveria formação de vitamina D no organismo animal • Comprometeria a fixação do cálcio e do fósforo, indispensáveis à formação do tecido ósseo. • Na superfície possui poder oxidante causando danos a vegetais (queimaduras e inibição da fotossíntese) e animais (destruição de enzimas e ressecamento do aparelho respiratório) Ozônio • Destruição – Óxido nitroso (NO) • Explosões nucleares • Aviões supersônicos – Clorina (Cl) • Derivadas dos clorofluorcarbonos (CFCs) – Freon-11 (CFCl3): Sprays – Freon-12 (CF2Cl2): Refrigeradores – Cl + O3 →ClO + O2 – Cl + O → Cl + O2 Ozônio como filtro solar Vapor d'água • A concentração de 0 a 4% • Bastante variável – Em geral, diminui com a altitude. – Regiões tropicais quentes e úmidas • 40 g.kg-1 de ar seco – Zonas polares frias e secas • 0,5 g. kg-1 de ar seco Vapor d'água • Interfere na distribuição da temperatura – Participa ativamente dos processos de absorção e emissão de calor sensível pela atmosfera; – Atua como veículo de energia ao transferir calor latente de evaporação, de uma região para outra, o qual é liberado como calor sensível, quando o vapor se condensa. • Único constituinte da atmosfera que muda de estado em condições naturais – Responsável pela origem das nuvens e por uma extensa série de fenômenos atmosféricos importantes (chuva, neve, orvalho etc.). • Sua proporção na atmosfera determina o nível de conforto ambiental. Gás carbônico • 98% se encontra dissolvido na água dos oceanos, sob a forma de bicarbonato • Quase todo o restante está na atmosfera – Sua concentração oscila muito pouco em torno de 0,5 g.kg-1 – [CO2] varia no tempo e no espaço • Local: Cidade = ↑[CO2] x Campo ↓[CO2] • Continente = ↑[CO2] x Oceano ↓[CO2] • Tempo: Noite = ↑[CO2] x Dia ↓[CO2] • Dia Nublado = ↑[CO2] x Dia com céu Limpo ↓[CO2] • Entrada de CO2 – Combustão e queima, respiração, decomposição, erupções vulcânicas, reações de rochas calcárias com ácidos • Retirada de CO2 – Fotossíntese e fixação por corais formadores de recifes Evolução da concentração de CO2 Evolução da concentração de CO2 Gás carbônico • Há um intercâmbio contínuo de gás carbônico entre a atmosfera e os seres vivos (respiração e fotossíntese), os materiais da crosta (combustão e oxidação) e os oceanos. • 90% dos principais constituintes vegetais não provêm do solo, mas da atmosfera, através da atividade fotossintética.– O carbono, integrante das moléculas sintetizadas pelos vegetais provém do gás carbônico atmosférico. • O CO2 também desempenha um papel de destaque na energética do sistema globo-atmosfera, absorvendo energia solar e terrestre de determinados comprimentos de onda. • Aumento [CO2] = efeito estufa Partículas sólidas e líquidas • Núcleos de condensação – Papel importante na formação das nuvens • Partículas sólidas – Pó atmosférico (terra fina, cinza vulcânica, sais, fuligem, etc.) e seres vivos ou parte destes (bactérias, fungos inferiores, esporos de fungos superiores e de outros vegetais e pólen de certas plantas) Variação vertical de propriedades da atmosfera • 50% da massa total da atmosfera encontra- se até 5 km de altitude • Abaixo de 10 e de 20 km concentram-se, respectivamente, 75 e quase 95% do ar existente • A progressiva rarefação do ar ao longo da vertical é que torna impossível estabelecer um limite físico externo para a atmosfera. Estrutura vertical da atmosfera • Possui estrutura vertical variável – Composição, temperatura, umidade, pressão, movimentos • Não existem limites físicos que separem as camadas da atmosfera • Camadas interagem entre si Estrutura vertical da atmosfera • Divisão das camadas com propriedades homogêneas – Variação da temperatura do ar com a altitude. – Camadas onde não há variação da temperatura com a altitude são ditas isotérmicas. • A atmosfera está dividida em quatro camadas: – troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera – Separadas por três zonas de transição • tropopausa, estratopausa e mesopausa A atmosfera pode ser dividida de acordo com suas características físicas e químicas Termosfera Mesosfera Estratosfera – onde encontra-se a maior concentração de O3 Troposfera – onde ocorrem os fenômenos meteorológicos Estrutura da atmosfera Estrutura vertical média da atmosfera, segundo o critério térmico Variação da temperatura nas diferentes camadas da atmosfera (na Troposfera a temperatura diminui devido à rarefação do ar e à redução da pressão, enquanto que na estratosfera o aumento de temperatura se deve à absorção da radiação solar pelas moléculas de ozônio). Estrutura vertical da atmosfera Troposfera • É a mais importante das camadas da atmosfera • Se concentram cerca de 3/4 da massa total da atmosfera e quase todo o seu vapor d'água • Ambiente natural de praticamente todas as nuvens e dos fenômenos meteorológicos direta ou indiretamente decorrentes da presença do vapor d'água no ar. • A temperatura do ar diminui com a altitude cerca de 6,5 °C km-1 na troposfera • O aquecimento do ar se efetua basicamente por condução, em contacto com a superfície terrestre aquecida pelo Sol. Perfil térmico normal da troposfera Troposfera • O aquecimento próximo a superfície proporciona o desenvolvimento de correntes aéreas verticais (ascendentes e subsidentes) que provocam transferência convectiva de calor e de vapor d'água para níveis mais elevados da troposfera. • A rugosidade natural da superfície, devido à resistência que oferece ao vento, gera turbulência (maior sobre os continentes que sobre os oceanos), contribuindo para acelerar, ainda mais, a transferência vertical de calor e de vapor d’água. • A velocidade do vento, em geral, aumenta com a altitude na troposfera, atingindo valores máximos perto da tropopausa (150 a 200 km.h-1). Troposfera • A espessura da troposfera varia com a latitude e com a época do ano. • Nos pólos, oscila entre um mínimo de 6 km no inverno e um máximo de 8 km no verão, em média. • Na zona tropical são de 15 e 18 km, aproximadamente. • Grandes perturbações atmosféricas (como os ciclones) podem estar associadas à elevação ou à redução da espessura da troposfera. Importância Agroclimática • Ação termorreguladora: – Absorve parte da radiação solar (não é completamente transparente), evitando o super-aquecimento durante o dia – Retém parte da radiação terrestre, evitando o super-resfriamento noturno da superfície – Se não houvesse atmosfera: • De dia: +95ºC • De noite: -180ºC • Ionosfera: ondas de rádio P o rc e n ta g e m d e a b s o rç ã o d a e n e rg ia r a d ia n te Comprimentos de onda (nm) 10.000 5.000 1.000 500 100 IV Vis Metano Óxido Nitroso Oxigênio (O2) e Ozônio (O3) Dióxido de Carbono Vapor d´água A Atmosfera Absorção de Energia Radiante pelos Componentes Atmosféricos em Diferentes Comprimentos de Onda Indica o espectro teórico da radiação solar antes da interação com a atmosfera, com a proporção de cada faixa de comprimento de onda Indica o espectro real da radiação solar antes da interação com a atmosfera (1), e após o processo de absorção, causado pelos principais constituintes absorvedores da atmosfera (2). A área cinza indica a banda absorvida. Absorção da radiação solar Difusão da radiação solar Os constituintes atmosféricos, normalmente aerossóis, partículas de poeira e gotículas de água (nuvens, nevoeiros, etc.) mudam a direção dos raios solares. Esse processo gera a radiação multi-direcional, denominada de difusa. Parte dessa radiação retorna ao espaço sideral. Quanto maior a espessura da camada da atmosfera a ser atravessada pela radiação solar, maior a difusão. Difusão Essa figura mostra a energia associada a cada comprimento de onda. Observe que da energia global, somente uma parte é proveniente da radiação direta (Direct), o restante é proveniente da radiação difusa, ou seja, a diferença entre Global e Direta. Quando a difusão é proporcionada por partículas de diâmetro muito pequeno, como os aerosóis, há difusão predominantemente nos comprimentos de onda mais curtos (violeta/azul). Quando ocorre difusão por partículas de poeira a sensação visual é do céu avermelhado, como observado ao nascer e pôr do sol. Nessas condições, nas quais o ângulo zenital do Sol é elevado (baixa altura do astro), a camada que a radiação solar atravessa é bem maior e isso permite uma maior atenuação da radiação, tanto pela absorção como pela difusão. Qg Qo Qd Qc Ir ra d iâ n c ia S o la r (M J /m 2 h ) Horário Qg Qo Qd Qc Horário Céu Limpo Céu Nublado Ir ra d iâ n c ia S o la r (M J /m 2 h ) Irradiância solar em um dia de céu limpo: Qo (RS no topo da atmosfera), Qg (RS na superfície terrestre), Qd (RS direta), Qc (RS difusa). Em um dia como este a Qg é composta predominantemente por Qd... ... ao passo que em um dia de céu nublado existe uma maior proporcionalidade entre Qd e Qc. O processo de reflexão da RS pelas nuvens também pode ser considerado um processo de difusão, já que muda a direção dos raios solares. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA FARROUPILHA CAMPUS SÃO VICENTE DO SUL/RS DISCIPLINA: AGROCLIMATOLOGIA Obrigado pela atenção! Ivan.maldaner@iffarroupilha.edu.br
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