Aula_4_ Meteorologia_Climatologia_UnB_2014_2

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UNIVERSIDADE de BRASÍLIA 
138037 - Geografia Física 2: Meteorologia e Climatologia. 
 
Responsável: Prof. Dr. Fábio Cunha Conde, Departamento de Geografia. 
Aula – 4 - Composição e estrutura da atmosfera 
 
 
1- A atmosfera da Terra 
1.1 – A Composição da Atmosfera 
A atmosfera pode ser descrita como uma camada fina de gases, sem cheiro, sem cor e 
sem gosto, presa à Terra pela força da gravidade. 
A atmosfera compreende uma mistura mecânica estável de gases, sendo que os mais 
importantes são o nitrogênio, o oxigênio, o argônio, o dióxido de carbono, o ozônio e o 
vapor d`água. (ver tabela abaixo). 
 
Outros gases ocorrem em proporções muito pequenas e inclui o neônio, o criptônio, o 
hélio, o metano, o hidrogênio, etc. 
O nitrogênio, o oxigênio e o argônio são constantes quanto ao volume, espacial e 
temporalmente. 
 
Vapor d’água 
Por exemplo, o volume do vapor d’água na atmosfera pode variar praticamente de zero, 
em regiões áridas, até cerca de 3-4% nos trópicos úmidos. 
O conteúdo de vapor d`água na atmosfera está estreitamente relacionado com a 
temperatura do ar e com a disponibilidade de água na superfície terrestre. 
Assim, nas latitudes médias é maior no verão que no inverno, quando a capacidade da 
atmosfera para reter a umidade é pequena. 
O vapor d’água é também quase ausente a cerca de 10-12 quilómetros acima da 
superfície da Terra. Este fato acontece por que o vapor d’água na atmosfera é fornecido 
pela evapotranspiração de água da superfície terrestre e levado para camadas superiores 
pela turbulência, que é mais eficaz abaixo da latitude de 10 quilómetros. 
Ozônio 
O ozônio está concentrado entre as altitudes de 15 e 35 quilómetros da atmosfera. 
O conteúdo de ozônio da atmosfera é baixo sobre o Equador e alto na direção dos pólos, 
nas latitudes maiores que 50º. 
O ozônio é formado quando, sob a influência da radiação ultravioleta, as moléculas de 
oxigênio se rompem e os átomos separados combinam-se individualmente com outras 
moléculas de oxigênio. 
Muito embora a ruptura das moléculas de oxigênio usualmente ocorra na camada entre 
80 e 100 quilómetros, a formação de ozônio acontece na camada entre 30 e 60 
quilómetros. 
Isto ocorre por causa da densidade muito baixa da atmosfera a 80 e 100 quilómetros, fato 
que não estimula combinações entre o O e O2, processo necessário para a formação do 
ozônio. Este, em si mesmo, é instável, uma vez que pode ser destruído pela radiação 
incidente ou pelos choques com o oxigênio monoatômico (O) para recriar o oxigênio (O2), 
da seguinte maneira: 
O2 + O --->O2 + O2 
O modelo da distribuição do ozônio dentro da atmosfera é considerado como sendo o 
resultado de algum mecanismo de circulação, que transporta o ozônio para níveis 
adequados onde sua destruição é menos provável e sua concentração é, desta forma, 
assegurada. Tais áreas estão concentradas na atmosfera nas altitudes de 15 a 35 
quilómetros acima da superfície terrestre. 
Dióxido de Carbono (CO2) 
O dióxido de carbono (CO2) entre na atmosfera principalmente por meio da ação dos 
organismos vivos nos oceanos e continentes. 
A fotossíntese ajuda a manter o equilíbrio da quantidade de dióxido de carbono por meio 
da remoção de cerca de 3% do dióxido de carbono total do mundo, anualmente. 
Contudo, existem temores de que a crescente utilização de combustíveis fósseis pelo 
homem esteja perturbando esse equilíbrio e de que tenha havido algum aumento na 
quantidade de dióxido de carbono na atmosfera. 
Por exemplo, a quantidade total de dióxido de carbono na atmosfera, entre 1870 e 1970, 
foi calculada como tendo aumentado de 294 para 321 ppm (cerca de 11% de aumento) 
devido a queima de combustíveis fosseis (Barry e Chorley, 1976). 
Aerossóis 
Além dos gases relacionados na tabela acima a atmosfera contém quantidades variáveis, 
porém significativas, de aerossóis. 
Estes são partículas de poeira em suspensão, fumaça, matéria orgânica, sal marinho, 
etc., que procedem tanto de fontes naturais como daquelas construídas pelo homem. 
Os aerossóis produzidos pelo homem são avaliados atualmente como sendo 
responsáveis por 30% dos aerossóis contidos na atmosfera, e essa quantidade poderá ter 
duplicado por volta do ano 2000 (Barry e Chorley, 1976). 
O vapor d’água, o ozônio, o dióxido de carbono e os aerossóis desempenham papéis 
importantes na distribuição e nas trocas de energia dentro da atmosfera e entre a 
superfície da Terra e a atmosfera. 
Suas quantidades e padrões de distribuição dentro da atmosfera devem, portanto, ser 
cuidadosamente estudados. Observações por foguetes indicam que o nitrogênio, o 
oxigênio e o argônio estão misturados em proporções constantes até uma altitude de 80 
quilómetros devido à constante agitação no interior da atmosfera. 
Contrariamente ao que se poderia esperar, não há separação dos gases leves (como, por 
exemplo, o hidrogênio e o hélio) e daqueles mais pesados da atmosfera por causa da 
constante mistura turbulenta em grande escala da atmosfera. 
Contudo, conforme foram antes mencionadas, as variações espaciais e sazonais 
realmente ocorrem na distribuição dos aerossóis, dióxido de carbono, vapor d’água e 
ozônio. 
Por que esses aerossóis e gases absorvem, refletem e difundem tanto a radiação solar 
como a terrestre, a balança de calor do sistema Terra – atmosfera e estrutura da 
temperatura da atmosfera são grandemente afetadas por suas quantidades e 
distribuições dentro da atmosfera. 
1.2 – A Massa da Atmosfera 
A atmosfera, sendo uma mistura mecânica de gases, exibe as características principais 
de todos os gases. 
Ela é extremamente volátil compressível e tem a capacidade de expansão. 
Estas características explicam alguns dos aspectos fundamentais da estrutura 
atmosférica bem como muitos aspectos do tempo atmosférico e do clima. Porque a 
atmosfera é altamente compressível, suas camadas inferiores são muito mais densas do 
que as superiores. 
A densidade média da atmosfera diminui a partir de 1,2 kgm-3 na superfície da Terra até 
0,7 kgm-3 na altura de 5000 metros. De fato, conforme mostrado na tabela abaixo cerca da 
metade do total da massa da atmosfera está concentrada abaixo de 5 quilómetros. 
 
 
Distribuição Vertical de Pressão Atmosférica e Massa 
 
A pressão atmosférica diminui logaritmicamente com a altitude acima da superfície 
terrestre. 
A pressão em um ponto na atmosfera é o peso do ar verticalmente acima da unidade de 
área horizontal centralizada naquele ponto. Em outras palavras, é a força direcionada 
para baixo sobre a unidade da área horizontal resultante da ação da gravidade sobre a 
massa de ar situada verticalmente (McIntosh e Thom, 1969). 
À medida que subimos na atmosfera, o ar torna-se mais rarefeito até que o limite externo 
da atmosfera seja alcançado, penetrando assim no espaço exterior. 
A densidade real do ar depende da temperatura, do teor de vapor d’água no ar e da 
gravidade. Desde que todos os elementos variam, não existe relacionamento simples 
entre a altitude e a pressão. Todavia, o relacionamento entre a pressão e a altitude é tão 
significativo que os meteorologistas frequentemente expressam as elevações em 
milibares, que é a unidade de medida da pressão. 
Por exemplo, 1000 mb representam o nível do mar e 300 mb cerca de 9000 metros. 
A pressão é medida como força por unidade de área. A unidade usada pelos 
meteorologistas é o milibar (mb). 
Um milibar é o equivalente a 1000 dinas por centímetro quadrado. (um dina é a força 
necessária para produzir uma aceleração de 1 cm/s2 em uma massa de 1 grama.). 
As leituras do barômetro de mercúrio também necessitam ser padronizadas para uma 
temperatura de 0º C, levando emconta a expansão térmica do mercúrio. 
A pressão atmosférica média ao nível do mar é 1013, 25 mb. 
Cada um dos gases na atmosfera exerce uma pressão parcial independente dos outros. 
Desta forma, ao nível médio do mar, o nitrogênio exerce uma pressão de 760 mb, o 
oxigênio de 240 mb, e o vapor d’água de 10 mb. 
A pressão exercida pelo vapor d’água, isto é, a pressão do vapor varia com a latitude e 
sazonalmente. 
Por exemplo, é de aproximadamente 0,2 mb sobre a Sibéria setentrional, em janeiro, e 
mais do que 30 mb nos trópicos, em julho. 
Porém esta variação não é refletida no padrão da pressão na superfície total. De fato, 
devido a fatores dinâmicos, o ar em áreas de alta pressão é geralmente seco, enquanto 
nas áreas de baixa pressão é usualmente úmido (Barry e Chorley, 1976). 
1.3. Estrutura Vertical da Atmosfera 
Evidências provenientes de rawinsonde (radiossonda rastreada por dispositivo de 
radiogonometria para determinar a velocidade do vento nas alturas), radiossonda, 
foguetes e satélites indicam que a atmosfera está estruturada em três camadas 
relativamente quentes, separadas por duas camadas relativamente frias (ver figura 
abaixo). 
 
Camadas Atmosféricas 
 
A Troposfera 
A camada mais baixa da atmosfera é denominada troposfera. A troposfera contém 
cerca de 75% da massa gasosa total da atmosfera e virtualmente a totalidade do 
vapor d’água e de aerossóis. Portanto, ela é a camada onde os fenômenos do tempo 
atmosférico e a turbulência são os mais marcantes, e tem sido descrita como a 
camada da atmosfera que estabelece as condições do tempo. Por estas razões, 
torna-se de importância direta para o homem. Na troposfera, a temperatura diminui a 
uma taxa média de 6,5º C por quilômetro. 
A Tropopausa 
A parte superior da atmosfera é denominada tropopausa, sendo caracterizada pelas 
condições de inversão de temperatura que efetivamente limitam a convecção e outras 
atividades do tempo atmosférico. A altura da tropopausa não é constante. Ela varia de 
lugar para lugar e de época para época sobre uma determinada área. Contudo, a 
altitude da tropopausa é mais elevada no Equador (16 km), onde existem 
aquecimento e turbulência convectiva vertical, e é mais baixa nos pólos, onde tem 
apenas 8 quilómetros. 
A troposfera 
A troposfera pode ser dividida em três camadas, tendo por base o mecanismo 
dominante para as trocas de energia. 
Estas são a: 
 Camada laminar; 
 A camada friccional; 
 E a denominada atmosfera livre. 
A camada laminar ou de superfície marca a interface entre o solo e a atmosfera. A 
transferência de energia dentro desta camada acontece por meio de condução e as 
trocas verticais de calor e de umidade são bastante lentas. 
Em sua parte superior encontra-se a camada de atrito, que tem cerca de 1000 metros 
de espessura. A transferência vertical de calor dentro nessa camada ocorre 
principalmente por meio de turbulência ou por meios de movimentos de remoinho. 
A seguir, encontra-se a atmosfera livre, que é a camada que está isenta do efeito do 
atrito criado pelas irregularidades da superfície terrestre. Nesta camada os ventos 
são mais fortes, pois não mais encontram a resistência friccional, e a transferência 
vertical de energia ocorre principalmente através da formação de nuvens. A água é 
evaporada da superfície da Terra e transportada para o alto como vapor. Quando o 
vapor se condensa na atmosfera para formar as nuvens, ocorre a liberação do calor 
latente. 
A Estratosfera 
A estratosfera é a segunda camada principal da atmosfera e estende-se desde a 
tropopausa até cerca de 50 quilómetros acima do solo. 
Diferentemente do que acontece na troposfera, na estratosfera a temperatura 
geralmente aumenta com a altitude. Como a densidade do ar é muito menor, até 
mesmo uma absorção pequena de radiação solar pelos constituintes atmosféricos, 
notadamente o ozônio, produz um grande aumento de temperatura. 
A estratosfera contém grande parte do ozônio total atmosférico. A concentração 
máxima de ozônio ocorre em torno da altitude de 22 quilómetros acima da superfície 
terrestre. Diferentemente da troposfera, a estratosfera contém pouco ou nenhum 
vapor d’água. Mudanças sazonais marcantes são características da estratosfera e, no 
geral, acredita-se que os eventos na estratosfera estejam provavelmente ligados às 
mudanças de temperatura e de circulação na troposfera. 
A parte superior da estratosfera é marcada por uma zona isotérmica denominada 
estratopausa. A troposfera e a estratosfera constituem a atmosfera inferior. 
A atmosfera superior 
A atmosfera superior é geralmente considerada como começando a partir da 
estratopausa e terminando onde a atmosfera se funde com o espaço exterior. 
Várias camadas foram reconhecidas dentro da atmosfera superior, porém até agora 
não há concordância universal a respeito da terminologia e do número de camadas. 
Geralmente são reconhecidas as seguintes camadas: 
A Mesosfera 
A mesosfera, onde a temperatura diminui com a altura até alcançar um mínimo de 
cerca de -90ºC aos 80 quilómetros, situando-se na parte superior da estratosfera. A 
pressão atmosférica é muito baixa e diminui aproximadamente de um mb, na base da 
mesosfera aos 50 quilómetros acima do solo, até 0,01 mb na mesopausa, na 
proximidade de 90 quilómetros acima da superfície terrestre; 
A Termosfera 
A termosfera é a camada seguinte. Aqui, a temperatura aumenta com a altitude 
devido à absorção da radiação ultravioleta pelo oxigênio atômico. A atmosfera é muito 
rarefeita, uma vez que as densidades são muito baixas. Acima de 100 quilómetros, a 
temperatura é grandemente afetada pelos raios-X e pela radiação ultravioleta, o que 
provoca a ionização ou carregamento elétrico. A região de alta densidade de elétrons 
é algumas vezes denominada ionosfera; 
A exosfera 
A exosfera estende de uma altitude entre 500 e 750 quilómetros da superfície 
terrestre e acima dessa altitude. Os átomos de oxigênio, hidrogênio e hélio formam 
uma atmosfera muito tênue e as leis dos gases deixam de ser válidas. A atmosfera 
não tem um limite superior exato, porém torna-se menos densa, progressiva e de 
forma rápida antes que finalmente ela se confunda com o espaço exterior. 
Está claro, pelo que foi visto, que a temperatura terrestre varia, no que diz respeito as 
suas características, a partir da base para o alto. Quanto ao tempo atmosférico e ao 
clima, somente a troposfera e a estratosfera, particularmente a primeira, são de 
interesse. A atmosfera superior ainda é relativamente inexplorada, se comparada com 
a atmosfera inferior.