Aula 1 DESCRIÇÃO GERAL DA ATMOSFERA pdf

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Universidade Federal da Bahia – Instituto de Física/UFBA 
Departamento de Física da Terra e do Meio Ambiente – DFTMA 
 
FIS 133 – Física do Meio Ambiente 
DESCRIÇÃO GERAL DA ATMOSFERA 
 
Prof. Dr. Alberto Brum Novaes 
albrum@ufba.br 
Salvador, Bahia 
2013 
SOCIEDADE BRASILEIRA PARA O PROGRESSO DA CIÊNCIA – 
SBPC 
65a Reunião, Recife – 21 a 26 de julho de 2013 
CIÊNCIA PARA O NOVO BRASIL 
 
 DESCRIÇÃO GERAL DA ATMOSFERA DA TERRA 
 
Regiões e extensão da atmosfera 
Divisão física e química da atmosfera 
Distribuição e perfil da temperatura: 
troposfera, estratosfera; mesosfera; ionosfera. 
Exosfera e magnetosfera. Auroras. 
 
 
A ATMOSFERA DA TERRA 
DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA 
CAMADAS DA ATMOSFERA 
 
• TROPOSFERA 
• TROPOPAUSA 
• ESTRATOSFERA 
• MESOSFERA 
• IONOSFERA 
• EXOSFERA 
• MAGNETOSFERA 
A atmosfera 
 
 
A ATMOSFERA 
 
SUBDIVISÕES DA HOMOSFERA 
Corte esquemático da seção da troposfera. A figura mostra ainda a 
espessura e a temperatura da troposfera. 
HOMOSFERA E HETEROSFERA. 
Componentes Percentagem da massa da 
hidrosfera (%) 
Massa total da hidrosfera 100 (massa total = 1,36 x = 2,66 x 
106 kg/m2 sobre a superfície da 
terra). 
Oceanos 97 
Gelo (principalmente a Antártica 
e a Groenlândia) 
2,4 
Água doce (subterrâneas) 0.6 
Água doce em lagos, rios, etc. 0,02 
Atmosfera 0,001 
Tabela 1.1– Percentagem da massa da hidrosfera nos vários sistemas da 
Terra. Baseado nos dados de H.H.Lamb, “Climate: Present, Past and 
Future,” Methuen Co. Ltd., London, 1972, p. 482. 
 
Volume de água total na Terra  1,40 bilhões de km3 
Oceanos e mares 1,37 bilhões de km3 
Gelo 24 milhões de km3 
Água intersticial (em rochas e sedimentos) 4 milhões de km3 
Lagos e rios 230 mil km 3 
Atmosfera (vapor de água)  140 mil km3 
Tabela 1.2 - Os oceanos e mares contêm 97% de toda a água na Terra, isto é, 
salgada. 
Os 3% restantes são de água doce, sendo que 2,25% estão na forma de gelo e os 
restantes 0,75% de água doce nos rios, lagos e águas subterrâneas, disponíveis 
para o consumo humano e parte dos animais. Contudo, em sua maior parte 
ocorrem em regiões distantes dos centros consumidores (grandes cidades). 
 
 
Distribuição global, por volume, da água na superfície e atmosfera da 
Terra, pode ser melhor detalhada através da Tabela 1.2, apresentada 
abaixo: 
 
Distribuição vertical típica de temperatura na atmosfera. A razão 
física para essa distribuição peculiar de temperatura na 
atmosfera está relacionada com a absorção da radiação. 
 
 
A IONOSFERA 
• Em altitudes elevadas, os comprimentos de ondas curtas da 
radiação solar produzem uma considerável quantidade de átomos 
ionizados, moléculas e os correspondentes elétrons livres. Então 
existe uma distribuição vertical de densidade de elétrons, em 
camadas características ou em regiões de alta densidade, 
associadas com, e dependendo dos processos fotoquímicos. As 
distribuições típicas são dessa forma diferentes em condições de 
dia e noite. Essas regiões, quando consideradas nesse ponto de 
vista, são chamadas do IONOSFERA. 
• A ionosfera pode ser convenientemente estudada do solo por 
ondas de rádio no intervalo de 1 – 20 MHz ( 300 – 15 m de 
comprimento de onda). O instrumento usado para esse fim é 
chamado de ionosonda, e consiste basicamente de um pulso 
transmitido e um recebido. O transmissor transmite pequenos 
pulsos a uma dada frequência νverticalmente para cima, como 
mostrado na figura abaixo. 
 
IONOSONDA. T indica o transmissor e R o receptor. A intensidade da ionização 
na ionosfera está indicada pelo sombreamento. (i), (ii), (iii) e (iv) representam 
as reflexões dos pulsos com o aumento da frequência. 
IONOGRAMA 
• Quando essa radiação eletromagnética 
passa através da ionosfera, os elétrons livres 
oscilam em resposta ao campo 
eletromagnético da onda. Parte do sinal 
refletido é recebido de volta pela 
ionosonda, o qual é registrado, agindo como 
receptor. Todo o processo ocorre em um 
tempo da ordem de milissegundo. Uma 
gravação de tal sinal é representado em um 
dispositivo chamado ionograma. 
IONOGRAMA. Uma gravação mostrando a altitude na qual um 
pulso de onda eletromagnética é refletida como uma função do 
pulso de frequência. 
Densidade de elétrons como uma função da altura. Típicas curvas para a 
noite e dia, mostrando as diferentes regiões D, E, F1, e F2. As curvas variam 
consideravelmente com a atividade solar, o número de manchas solares e o 
período do ano. 
 
Densidade total de elétrons como funções da altura. A figura mostra que a 
densidade de elétrons é sempre menor do que as partículas neutras (as 
quais compõem o “total de partículas”). Para comparação, a concentração 
de moléculas (= ao total de partículas) no solo é de mais ou menos 3 x 1019 
cm-3 . 
 
Regiões da Ionosfera 
Região Altura (km) Densidade de elétrons (cm-3) 
(Ordem de grandeza) 
D < 90 103 - 104 
E 90 – 140 105 
F1 > 140 Máximo de 106 na região de 250 – 500 km 
F2 > 140 “ “ “ “ “ “ 
• A altitude para a qual os raios são refletidos dependem tanto da frequência 
quanto do número da concentração dos elétrons, N; pela teoria de 
propagação de ondas, e ela pode ser derivado dessa condição de reflexão 
como: 
 
 
 
• onde, = permissividade no vácuo ( = 8,854 x 10-12 F/m) 
• m = massa do elétron 
• e = carga do elétron 
• Se N for dado em cm-3, a constante de proporcionalidade vale 1,24 x 10-8 
s2.cm³ 
• Para cada frequência a concentração N pode ser derivada da equação acima. 
• As labaredas solares são massas de gás extremamente quentes que saem da 
cromosfera (região que envolve o disco central do Sol, ou fotosfera) do Sol 
em arco e retorna à superfície. Essas labaredas são fontes de radiação 
ultravioleta e de partículas, principalmente elétrons e prótons. Essa radiação 
eletromagnética alcança primeiro a atmosfera terrestre, em mais ou menos 
oito minutos, causando súbitos distúrbios ionosféricos. 
 
222
0
2 ./4   constemN
0
Equação da concentração de elétrons na Ionosfera 
A EXOSFERA 
• À direita da Figura 1, uma escala indica os valores aproximados do livre caminho médio 
molecular λ das moléculas. Esse parâmetro é definido como a distância média percorrida 
por uma molécula entre duas colisões. Ele pode ser definido pela teoria cinética dos gases. 
 
 
onde: 
λ= livre caminho médio molecular 
 σ= sessão de colisão molecular (da ordem de 40 Ao2 = 0,4 nm2 ) 
 n = concentração molecular 
 k = 1,38 x 10 -23 J/K = constante de Boltzmann 
 T = temperatura absoluta 
 p = pressão 
Devido principalmente a p (pressão) o livre caminho médio molecular torna-se cada vez menor 
muito rapidamente, e também devido ao aumento de T, λcresce de 10-5 cm na superfície 
terrestre para dezenas de km de afastamento a 500 km de altura. 
Esse valor é tão grande que colisões entre moléculas virtualmente cessam a essas altitudes, e 
as moléculas ou átomos descrevem trajetórias parabólicas (balísticas) no campo 
gravitacional. A base da exosfera é atualmente definida como o nível para o qual λtorna-
se igual à escala de altura H. 
 
σp2kT/.1/σ121/λ 
AURORA 
• A aurora é um fenômeno luminoso observado como um fulgor 
vindo da alta atmosfera durante as noites de inverno, nas altas 
latitudes. No Hemisfério Norte é conhecida como AURORA 
BOREAL e no correspondente Hemisfério Sul de AURORA 
AUSTRAL. A maioria das auroras é observada em um cinturão em 
torno dos polos magnéticos, entre 15o a 30o desses polos, com 
uma frequência máxima em mais ou menos 22,5o .A teoria das 
auroras não é ainda completamente entendida. Parece claro que o 
fenômeno é associado com condições de distúrbios na alta 
atmosfera. A luminosidade resulta do bombardeamento e 
subsequente ionização das moléculas por partículas vinda de 
cima, no caso do Sol. As moléculas ionizadas, por captura de 
elétrons e o reajustamento de seu estado de energia normal, 
emite luz em dada frequência . Esse bombardeamento está 
relacionado à variedade dos distúrbios solar produzindo partículas 
carregadas que chegam à Terra penetra em sua atmosfera e 
interage de maneira complicada com o campo magnético 
terrestre. 
 
MAGNETOSFERA 
• A magnetosfera está também representada na Figura 1. Se refere 
às propriedades magnéticas da Terra e sua interação com o 
contínuo fluxo de radiação solar corpuscular que permeia o 
espaço interplanetário que é chamado de VENTO SOLAR. A figura 
11(a) mostra o campo magnético em torno da Terra 
(MAGNETOSFERA) como seria se a Terra estivesse isolada no espaço. 
As partículas carregadas (positivas e elétrons) do vento solar são 
defletidas pelo campo magnético da Terra com uma força 
perpendicular tanto ao campo magnético quanto à trajetória das 
partículas. Esse fenômeno pode ser representado pela seguinte 
equação: 
• F = qv x B (Sistema Internacional) 
 
• Onde: F = força agindo sobre a partícula carregada 
• q = carga 
• v = velocidade 
• B = indução magnética 
 
MAGNETOSFERA 
• Há uma reação do campo magnético devido às 
partículas do Sol modificando-o como mostra a 
Figura 11(b). A uma distância de 10 a 15 raios 
terrestres no lado do dia (1 Raio da Terra = 6.370 
km) o campo cai a zero ou fica com valor muito 
pequeno. Esse limite é chamado 
MAGNETOPAUSA e toda a região dentro da 
magnetopausa, é chamada de MAGNETOSFERA. 
Do lado noturno a magnetosfera estende-se a 
uma grande distância, que é conhecida como 
cauda do campo magnético da Terra. 
A magnetosfera sem a influência do Sol 
A magnetosfera deformada pelo vento 
solar 
Linhas do campo magnético da Terra 
 
O CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA 
Interação do campo magnético do Sol com o da 
Terra 
 
AS LINHAS DO CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA 
ANOMALIAS MAGNÉTICAS 
Os cinturões de Van Allen 
OS CINTURÕES DA VAN ALLEN 
OS CINTURÕES DE VAN ALLEN. Partículas carregadas que vêm a ser 
aprisionadas pelas linhas espirais do campo magnético da Terra seguem em 
torno das linhas de força do campo. Ao mesmo tempo, elas se deslocam 
vagarosamente ao redor da Terra, para o leste se forem negativas, e para 
oeste se forem positivas. 
Linhas do campo magnético da Terra e as partículas 
do vento solar 
 
Linhas do campo magnético da Terra e os cinturões 
de Van Allen 
 
Como as tempestades solares afetam a Terra 
 
As cores das auroras: A cor de uma aurora depende em qual altitude e do tipo 
de gás que está sendo excitado pelas partículas solares. Quanto mais a partícula é 
energética mais penetra nos níveis mais profundos da atmosfera 
Os polos magnéticos da Terra 
 
O POLO NORTE MAGNÉTICO 
 
AURORAS 
• Os principais comprimentos de onda encontrados na luz das auroras são 
557,7 nm, correspondendo a uma linha verde do espectro do oxigênio 
atômico e 636,3 e 630,0 nm, correspondendo a uma linha de largura 
dupla do oxigênio. Como era de se esperar, muitas linhas nas bandas do 
nitrogênio também têm sido observadas, mas exceto para a banda 
vermelha do nitrogênio a 650 nm são muito fracas em relação às duas 
linhas do oxigênio. A luminosidade resultante é usualmente verde claro. 
• A altura na qual as auroras se desenvolvem varia de 80 a 150 km, mas 
podem ocorrer em altitudes maiores. 
• Em altas latitudes, nos meses de verão, a aurora é visível na porção 
iluminada pelo sol na alta atmosfera após o por do sol. Ela é usualmente 
violeta – claro ou violeta – azulada e aparece em grandes altitudes. 
• O AIRGLOW, (luminosidade do ar) é uma fraca luminosidade sempre 
presente. Ela tem sido estudada na maior parte da noite, mas está 
também presente, com algumas características diferentes durante o dia 
e no crepúsculo. 
Aurora artificial em laboratório 
 
TIPOS DE AURORAS 
Aurora sobre o parque de Yellowstone 
Aurora Boreal 
AURORA AUSTRAL 
Aurora Boreal e a Europa 
 
Aurora boreal e os Estados Unidos 
 
Aurora boreal 
 
AURORAS EM OUTROS PLANETAS - Saturno 
Inversão do campo magnético terrestre 
• Uma inversão geomagnética é a mudança de 
orientação do campo magnético terrestre de tal 
forma que o norte e o sul magnéticos são 
intercambiados. Esses eventos implicam 
frequentemente em um declínio prolongado da 
intensidade do campo seguido por uma 
recuperação rápida após o estabelecimento da 
nova orientação. Estes eventos ocorrem a uma 
escala de dezenas de milhar de anos ou mais, 
tendo a mais recente (a inversão de Brunhes–
Matuyama) ocorrido há 780.000 anos. 
Teoria sobre a origem do campo magnético 
• O consenso atual como o campo se origina é devido a uma 
colossal corrente elétrica (da ordem de bilhões de ampères) 
gerada pelo giro da Terra em torno de seu eixo. Este fenômeno é 
conhecido como “efeito dínamo”. Importante lembrar que mesmo 
a Terra sendo convexa este efeito continua válido, apenas 
passaríamos de um modelo esférico para um modelo toroidal 
(forma de uma rosquinha). 
• O líquido condutor que está girando no interior do planeta está 
em rotação e tem efeito sobre a rotação do mesmo. Desta forma é 
razoável aceitar que essa massa líquida também realiza um 
movimento precessional e tal como um pião de brinquedo ele vai 
perdendo força até que se inverte e muda de polaridade. Mas este 
processo não é brusco é demorado e faz com que o campo 
eletromagnético vá decaindo pouco a pouco até que se extinga e 
reapareça com polaridade invertida. 
• 
Teoria sobre a origem do campo magnético terrestre 
• As dorsais oceânicas são locais por onde o manto terrestre é forçado contra a crosta 
(figura 2) e “vasa” fazendo com que as placas tectônicas se movimentem (fazendo o 
famoso movimento dos continentes). 
• O vazamento do material do manto terrestre foi medido com um equipamento 
chamado magnetômetro, que mede o magnetismo de objetos, o qual constatou um 
comportamento intrigante do material depositado pelas dorsais oceânicas (figura 3), 
onde o material mais novo possuía uma orientação coerente com o campo 
eletromagnético atual, porém ao se afastar do centro da dorsal estudada a orientação 
do campo do material do assoalho marinho tinha uma orientação contrária ao campo 
eletromagnético terrestre atual. 
• Este padrão se mantém por todo o assoalho marinho, tendo sempre como origem as 
dorsais oceânicas. Através da datação das rochas de cada uma destas camadas 
chegou-se a conclusão de que o campo eletromagnético da Terra sofre um ciclo de 
inversão a cada 200.000 anos. 
• Portanto o campo eletromagnético terrestre já sofreu diversas inversões e não é 
nenhum absurdo assumir que isto ocorrerá em breve, pois o decaimento deste campo 
é um sintoma de que esta inversão está por ocorrer. 
• Além disso a última inversão sofrida pelo campo eletromagnético da Terra foi a 
780.000 anos, ou seja, está quase quatro vezes acima do tempo médio para a 
inversão. Outro fator que leva a certeza da proximidade desta inversão é um dado 
postado pela NASA, de que o campo magnético do nosso planeta passoude 4 Gauss 
em 1996 para menos de 2 Gauss no início do novo milênio. 
 
 
Dorsais e fossas oceânicas 
 
 
Assinatura geológica das inversões 
dos polos magnéticos da Terra. 
 
 
INVERSÃO DOS POLOS MAGNÉTICOS 
A INTERAÇÃO DE PARTÍCULAS CARREGADAS QUE VÊM 
DO CENTRO DA GALÁXIA COM O SISTEMA SOLAR