Composição, massa e estrutura da atmosfera

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Composição, massa e 
estrutura da atmosfera
Prof. MSc. Ricardo Rodrigues
Sumário
• A – Composição da atmosfera
• B – Massa da atmosfera
• C – Estratificação da atmosfera
• Objetivo de aprendizagem
• Após a apresentação deste conhecimento, você:
• Estará familiarizado com a composição da atmosfera – seus gases e outros componentes;
• Entenderá como e por que a distribuição de gases-traço e aerossóis varia com a altitude, a latitude e o tempo;
• Saberá como a pressão atmosférica, a densidade e a pressão de vapor de água variam com a altitude;
• Estará familiarizado com as camadas verticais da atmosfera, sua terminologia e importância.
Objetivos
• Depois da apresentação deste conjunto de aulas, você:
• Estará familiarizado com a composição da atmosfera – seus gases e outros 
componentes;
• Entenderá como e por que a distribuição de gases-traço e aerossóis varia com a 
altitude, a latitude e o tempo;
• Saberá como a pressão atmosférica, a densidade e a pressão de vapor de água 
variam com a altitude;
• Estará familiarizado com as camadas verticais da atmosfera, sua terminologia e 
importância.
A - Composição da Atmosfera
• Principais gases
• Gases do efeito estufa
• Aerossóis
• Variações com a altitude
• Variações com a latitude e estação
• Variações com o tempo
Principais gases
• A atmosfera é a camada gasosa, 
relativamente fina, que envolve o 
Planeta, sendo fundamental à vida na 
Terra. (Figura 1)
• Essa atmosfera é constituída por um 
conjunto de gases, vapor d´água e 
partículas sólidas em suspensão.
• Este conjuto de gases que envolve a 
Terra acompanha os seus principais 
movimentos - rotação e translação.
Figura 1 - Imagem mostrando a atmosfera da Terra. 
Principais gases
• Então, o ar atmosférico é uma
mistura mecânica de gases, e
não um composto químico.
• O ar seco, em volume, é
composto em mais de 99% de
nitrogênio e oxigênio.
Nitogênio
78,08%
Oxigênio
20,95%
Argônio
0,93%
Outros
0,04%
Figura 2 - Composição do ar seco. 
Principais gases
• Observações realizadas com
foguetes mostram que esses
gases são misturados em
proporções constantes até
aproximadamente 100 km.
• Apesar de sua predominância,
esses gases são de pouca
importância climática.
Componentes Símbolo Volume % (ar seco) Peso molecular
Nitrogênio N2 78,08 28,02
Oxigênio O2 20,95 32,00
*‡ Argônio Ar 0,93 39,88
Dióxido de carbono CO2 0,037 44,00
‡ Neônio Ne 0,0018 20,18
*‡ Hélio He 0,0005 4,0
† Ozônio O3 0,00006 48,00
Hidrogênio H 0,000005 2,02
‡ Criptônio Kr 0,00011
‡ Xenônio Xe 0,00009
§ Metano CH4 0,00017
Obs: * Produtos do decaimento do potássio e urânio. † Recombinação do
Oxigênio. § Gases na superfície. ‡ Gases inertes.
Tabela 1 – Composição média da atmosfera seca abaixo de 25 km. 
Gases do efeito estufa
• Apesar da sua relativa escassez, os chamados gases do efeito estufa
desempenham um papel crucial na termodinâmica da atmosfera.
• Esses gases aprisionam a radiação emitida pela Terra, produzindo
assim o efeito estufa.
• As concentrações desses gases-traço são afetadas pelas atividades
humana (ações antrópicas).
Gases do efeito estufa
• Dióxido de Carbono - CO2
• É liberado a partir do interior da Terra da respiração.
• É produzido pela respiração dos seres vivos, pela queima de combustíveis
fosseis e da evaporação oceânica.
• Em contrapartida, é dissolvido nos oceanos e consumido pela fotossíntese
vegetal.
• O desequilíbrio entre as emissões e a absorção pelos oceanos e a biosfera
terrestre leva ao aumento líquido observado na atmosfera.
Gases do efeito estufa
• Metano – CH4
• Produzidos principalmente por meio de:
• processos anaeróbicos em áreas úmidas naturais e plantações de arroz;
• pela fermentação entérica (intestinal) em animais;
• pela extração de carvão e óleo;
• pela queima de biomassa;
• por aterros sanitários e lixões.
Gases do efeito estufa
• Óxido Nitroso – N2O
• Produzidos principalmente por:
• Fertilizantes nitrogenados e processos industriais
• Mecanismos biológicos nos oceanos e solos.
• Destruídos por reações fotoquímicas na estratosfera, envolvendo a produção
de óxidos nitrogenados (NOx).
Gases do efeito estufa
• Ozônio – O3
• Produzidos pela quebra de moléculas de oxigênio na atmosfera superior pela
radiação ultravioleta do Sol.
• Destruídos por reações envolvendo óxidos nitrogenados (NOx) e cloro (Cl) na
atmosfera média e superior.
Gases do efeito estufa
• Vapor de água – H2O
• Principal gás de efeito estufa, é um componente atmosférico vital.
• Sua média é de 1% em volume, mas ele é muito variável no espaço e no
tempo, estando envolvido em um complexo ciclo hidrológico global.
Aerossóis
• Existem quantidades significativas 
de aerossóis na atmosfera.
• São partículas em suspensas de 
sulfato, sal marinho, poeira mineral, 
matéria orgânica e carbono negro.
• Os aerossóis entram na atmosfera 
por meio de uma variedade de 
fontes naturais e antropogênicas. Tabela 2 – Estimativas da produção de aerossóis, com menos de 5μm de raio(109 kg/ano) e concentrações típicas perto da superfície (μgm-3) em
áreas remotas e urbanas.
Aerossóis
• 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 incidente, e 
assim, influenciam no balanço de radiação e na temperatura do ar.
• Em terceiro lugar, a poeira no ar contribui para um fenômeno ótico conhecido como 
espalhamento. Por exemplo, nas várias tonalidades de vermelho e laranja no nascer 
e pôr-do-sol.
Variações com a altitude.
• Espera-se que os gases mais leves (hidrogênio e hélio) se tornem mais 
abundantes na atmosfera superior, mas a mistura turbulenta em grande 
escala impede essa separação difusora até pelo menos 100 km acima da 
superfície terrestre.
• As variações que ocorrem na altura estão relacionadas com as fontes dos 
dois principais gases não permanentes – vapor de água e ozônio.
• Como ambos absorvem radiação solar e terrestre, o balanço e a estrutura 
vertical da temperatura da atmosfera são afetados consideravelmente pela 
distribuição desses dois gases.
Variações com a altitude.
• O vapor de água compreende até 4% da atmosfera em volume ( ≈ 3% 
em peso) perto da superfície, mas apenas 3-6 ppmv (parte por milhão 
em volume) acima de 10 a 12 km.
• A turbulência é mais efetiva abaixo de 10-15 km e, como a densidade 
máxima possível do vapor de água no ar frio é muito baixa, existe 
pouco vapor de água nas camadas superiores da atmosfera.
Variações com a altitude.
• O ozônio se concentra principalmente entre 15 e 35 km.
• As camadas superiores da atmosfera são irradiadas pela radiação 
ultravioleta do Sol, que causa a quebra das moléculas de oxigênio em 
altitudes acima de 30 km.
• As colisões entre as moléculas de oxigênio são raras a 80 e 100 km, devido 
à baixíssima densidade da atmosfera, enquanto que, abaixo de 35 km, a 
maior parte da radiação ultravioleta incidente já foi absorvida em níveis 
maiores.
• Portanto, o ozônio é formado principalmente entre 30 e 60 km.
Variações com a latitude e a estação.
• As variações da composição atmosférica com a 
latitude e a estação são particularmente 
importantes no caso do vapor de água e do ozônio.
• O teor de ozônio é baixo sobre o equador e alto em 
latitudes subpolares na primavera.
• Se a distribuição fosse resultado unicamente de 
processos fotoquímicos, o máximo ocorreria em 
junho perto do equador, de modo que o padrão 
anômalodeve resultar do transporte de ozônio em 
direção aos polos.
Variações com a latitude e a estação.
• O ozônio muda de níveis altos (30-40 km) em 
latitudes baixas para níveis mais baixos (20-25 
km) em latitudes altas durante os meses de 
inverno.
• Ainda não se conhece, com certeza e precisão, 
o tipo de circulação responsável por essa 
transferência, embora não pareça ser simples e 
direta.
Variações com a latitude e a estação.
• O teor de vapor de água na atmosfera está relacionado com a 
temperatura do ar e, portanto, é maior no verão e em latitudes mais 
baixas.
• Todavia, existem exceções óbvias a essa generalização, como as áreas 
tropicais desertas do mundo.
Variações com a latitude e a estação.
• O teor de dióxido de carbono do ar, que tinha uma media de 387 ppm (parte por 
milhão) em 2007, apresenta uma grande variação sazonal nas latitudes maiores 
no Hemisfério Norte, associada à fotossíntese e à decomposição na biosfera.
• A 50° N, a concentração varia de 380 ppm no outono a 393 ppm na primavera.
• Os baixos valores do verão estão relacionados com a assimilação de CO2 pelos 
mares polares frios.
• Ao longo do ano, ocorre uma pequena transferência liquida de CO2 de latitudes 
baixas para altas, mantendo um equilíbrio nos teores do ar.
Variações com o tempo.
• As quantidades de 
dióxido de 
carbono, outros 
gases do efeito 
estufa e partículas 
na atmosfera 
sofrem variações 
de longo prazo 
que podem ter 
um papel 
importante no 
balanço de 
radiação da Terra.
Tabela 3 – Mudanças antropogênicas na concentração de gases-traço atmosféricos.
Sumário – A massa da atmosfera
• Pressão Atual
• Pressão de Vapor
A massa da atmosfera
• Os gases atmosféricos obedecem algumas leis simples em resposta a 
mudança de pressão e temperatura.
• A primeira, a lei de Boyle, postula que, em uma temperatura constante, o volume 
(𝑉) de uma massa de gás varia inversamente à sua pressão (𝑃), isto é, 𝑃 = Τ𝑘1 𝑉, 
onde 𝑘1 é uma constante.
• A segunda, a lei de Charles, diz que, em uma pressão constante, o volume varia 
diretamente com a temperatura absoluta (T) medida em Kelvin: 𝑉 = 𝑘2𝑇.
• Essas leis implicam que as três qualidades da pressão, temperatura e 
volume completamente independentes, de modo que qualquer mudança 
em uma delas causará uma mudança de compensação em uma ou nas 
outras duas.
A massa da atmosfera
• As leis dos gases podem ser combinadas e gerar a seguinte relação:
𝑃𝑉 = 𝑅𝑚𝑇, (01)
• onde 𝑚 = massa de ar e 𝑅 = uma constante gasosa para o ar seco 
(287 𝐽 𝑘𝑔−1𝐾−1).
• Se m e T são mantidos constantes, tem-se a lei de Boyle;
• Mantendo m e P fixos, tem-se a lei de Charles.
A massa da atmosfera
• Como é conveniente usar a densidade, 𝜌 = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎/𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒, em vez 
do volume ao estudar a atmosfera, pode-se reescrever a equação 01 
na forma conhecida como equação de estado:
𝑃 = 𝑅𝜌𝑇, (02)
• Assim, a uma pressão qualquer, um aumento na temperatura causa 
redução na densidade, e vice-versa.
Pressão Total
• O ar é altamente compressível, de modo 
que suas camadas inferiores são muito 
mais densas do que as superiores.
• Da massa total de ar, 50% são 
encontrados abaixo de 5 𝑘𝑚, e a 
densidade média diminui de cerca de 
1,2 𝑘𝑔 ∙ 𝑚−3 na superfície para 0,7 𝑘𝑔 ∙
𝑚−3 a aproximadamente 5000 𝑚, perto 
do limite extremo para a habitabilidade 
humana. Figura 4
Figura 4 – Porcentagem da massa total da 
atmosfera abaixo de elevações de até 80 km. Isso 
ilustra o caráter raso da atmosfera da Terra. 
Pressão Total
• A pressão média no nível do mar (𝑝0) pode ser estimada a partir da massa total 
da atmosfera (𝑀, a aceleração média da gravidade (𝑔0) e o raio médio da Terra 
(𝑅)): 
• 𝑃0 = 𝑔0 Τ𝑀 4𝜋𝑅𝐸
2 , cujo denominador é a área superficial de uma Terra esférica.
• Substituindo os valores nessa expressão:
•
𝑀 = 5,14 × 1018 𝑘𝑔
𝑔0 = 9,8 𝑚𝑠
−1
𝑅𝐸 = 6,36 × 10
6𝑚
, temos 𝑝0 = 10
5𝑘𝑔 ∙ 𝑚𝑠−1 = 105 𝑁𝑚−2 𝑜𝑢 105𝑃𝑎.
• Assim, a pressão média no nível do mar é de aproximadamente 105 𝑃𝑎 ou 
1000 𝑚𝑏.
Pressão Total
• O valor médio global é de 1013,25 mb.
• A pressão atmosférica, que depende do peso da atmosfera acima, diminui 
logaritmicamente com a altura.
• Essa relação é expressa pela equação hidrostática: 
𝜕𝑝
𝜕𝑧
= −𝑔𝜌, ou seja, a 
taxa de mudança de pressão (𝑝) com a altura (𝑧) depende da gravidade (𝑔) 
multiplicada pela densidade do ar (𝜌).
• Com o aumento da altura, a queda na densidade do ar causa um declínio 
nessa taxa de redução da pressão.
Pressão Total
• A temperatura do ar também afeta essa taxa, que é maior para o ar 
denso frio.
• A relação entre a pressão e a altura é tão significativa que os 
meteorologistas em geral expressam as elevações em milibar:
• 1000 mb representa o nível médio do mar;
• 500 mb representam aproximadamente 5500 m
• 300 mb representam em torno de 9000 m.
Pressão de Vapor
• A uma dada temperatura, existe um limite na
densidade de vapor de água no ar, com um
consequente limite superior na pressão de vapor,
denominada pressão de vapor de saturação (𝑒𝑠).
• A figura 5-A ilustra com 𝑒𝑠 aumenta com a
temperatura (a relação Clausius-Clapeyron),
alcançando um máximo de 1013 mb (1 atm) no
ponto de ebulição.
• As tentativas de introduzir mais vapor no ar,
quando a pressão de vapor está em saturação,
geram condensação de uma quantidade
equivalente de vapor.
Figura 5 – Gráficos de pressão de vapor de saturação em função da 
temperatura. (A) diagrama semilogaritmico; (B) A pressão de 
saturação de vapor atmosférico, abaixo de 0℃, é menor em relação a 
uma superfície de gelo do que em relação a uma gota de água.
Pressão de Vapor
• A figura 5-B mostra que, enquanto a
pressão de vapor de saturação tem um
valor único a qualquer temperatura acima
do ponto de congelamento, abaixo de 0℃
a pressão de vapor de saturação acima de
uma superfície de gelo é menor do que
acima de uma superfície super-resfriada.
Figura 5 – Gráficos de pressão de vapor de saturação em função da 
temperatura. (A) diagrama semilogaritmico; (B) A pressão de 
saturação de vapor atmosférico, abaixo de 0℃, é menor em relação a 
uma superfície de gelo do que em relação a uma gota de água.
Pressão de Vapor
• A pressão de vapor (𝑒 ) varia com a latitude e a estação, de
aproximadamente 0,2 𝑚𝑏 sobre o norte da Sibéria em janeiro, a mais
de 30 𝑚𝑏 nos trópicos em julho, mas isso não reflete no padrão de
pressão superficial.
• A pressão diminui na superfície quando uma parte do ar se desloca
horizontalmente e, de fato, o ar em áreas de alta pressão em geral é
seco por causa de fatores dinâmicos, particularmente o movimento
vertical do ar, ao passo que as áreas de baixa pressão costumam ser
úmidas.
A estratificação da atmosfera
• A atmosfera pode ser dividida de maneira 
conveniente em diversas camadas horizontais 
diferenciadas, com base principalmente na 
temperatura.
• As evidências dessa estrutura vêm de balões 
meteorológicos, pesquisas com ondas de rádio, e 
mais recentemente, de sistemas de sondagens de 
foguetes e satélites.
• Existem três camadas relativamente quentes 
(perto da superfície; entre 50 e 60 km; e acima de 
120 km), separadas por duas camadas 
relativamente mais frias (entre 10 e 30 km; e 80-
100 km). Figura 6 – Distribuição vertical da temperatura e pressão 
até aproximadamente 110 km. Observe a tropopausa e 
a zona de concentração de Ozônio.
Troposfera
• A camada mais inferior da
atmosfera se chama troposfera.
• É a zona onde os fenômenos
climáticos e a turbulência
atmosférica são mais
acentuados, e contém 75% da
massa gasosa total da atmosfera
e praticamente todo o vapor de
água e aerossóis.
Figura 6 – Distribuição vertical da temperaturae pressão até 
aproximadamente 110 km. Observe a tropopausa e a zona 
de concentração de Ozônio.
Troposfera
• Nessa camada, existe uma diminuição da
temperatura com a altura, a uma taxa
média de aproximadamente 6,5C/Km.
• A redução ocorre porque o ar é
compressível e sua densidade diminui com
a altura, permitindo que o ar ascendente
se expanda e, assim, resfrie.
• Além disso, a transferência turbulenta de
calor da superfície aquece a atmosfera
inferior, e não a absorção direta de
radiação.
Figura 6 – Distribuição vertical da temperatura e pressão até 
aproximadamente 110 km. Observe a tropopausa e a zona 
de concentração de Ozônio.
Troposfera
• A troposfera é limitada na maioria dos
locais por um nível com inversão térmica e,
em outras, por uma zona isotérmica com a
altura.
• A troposfera, dessa forma, permanece, em
grande medida, autocontida, pois a
inversão atua como uma “tampa” que
efetivamente limita a convecção.
• Esse nível de inversão ou teto climático é
chamado de tropopausa.
Figura 6 – Distribuição vertical da temperatura e pressão até 
aproximadamente 110 km. Observe a tropopausa e a zona 
de concentração de Ozônio.
Troposfera
• Sua altura não é constante no espaço e no
tempo.
• E essa altura está relacionada com
alterações latitudinais, diárias e sazonais
na pressão a superfície.
• Existem variações acentuadas na altitude
da tropopausa com a latitude, de
aproximadamente 16 km no equador, onde
existe forte aquecimento e turbulência
convectiva vertical, a apenas 8 km nos
polos.
Figura 6 – Distribuição vertical da temperatura e pressão até 
aproximadamente 110 km. Observe a tropopausa e a zona 
de concentração de Ozônio.
Demais Camadas Atmosféricas
• A Estratosfera estende-se da troposfera
até aproximadamente 50 km e representa
cerca de 10% da massa atmosférica.
• A Mesosfera vai da estratosfera até  80
km
• Acima deste nível encontram-se a
Termosfera, Exosfera e a Magnosfera.
• Essas camadas não serão abordadas nesta
disciplina.
Figura 6 – Distribuição vertical da temperatura e pressão até 
aproximadamente 110 km. Observe a tropopausa e a zona 
de concentração de Ozônio.
Temas para reflexão
• Quais propriedades distinguem as camadas atmosféricas?
• Que diferenças existiriam em uma atmosfera seca, em comparação 
com a atmosfera real?
• Devido ao forte gradiente de pressão a partir da superfície, por que 
não há um fluxo ascendente de ar em grande escala?
OBRIGADO
Composição, massa e estrutura da atmosfera
Prof. MSc. Ricardo Rodrigues