1.1 Meteorologia Física I Constituição part3

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Meteorologia Física I 
Prof. Renato Ramos da Silva 
Universidade Federal de Santa 
Catarina (UFSC) 
Parte 3 – Poluição – Ciclos Geoquímicos - Estratosfera 
Meteorologia Física I 
• 1. Introdução 
• 1.1 Constituição da atmosfera 
• 1.2 Natureza da radiação solar e terrestre 
• 1.3 Relevância para o clima e fenômenos 
meteorológicos 
• 1.4 Relevância para sensoriamento remoto 
• 1.5 Balanço radiativo global 
 
5.5 Poluição Atmosférica. 
Em localidades urbanas e industrializadas, emissões antropogênicas podem ser tão 
grandes que a concentração de várias espécies químicas indesejadas causam 
significante deterioração da qualidade do ar e visibilidade que podem causar problemas 
á saúde humana. Poluição severa do ar tendem a ocorrer em associação a períodos 
prolongados de ventos fracos e forte estabilidade estática da atmosfera (Veja a seção 
3.6 e Box 3.4). 
 
5.5.1. Algumas Fontes de Poluição 
• Combustão é a principal fonte de poluição atmosférica. 
• A queima de combustíveis fósseis é a principal fonte de poluentes atmosféricos 
como CO, CO2, NOx, e SO2. 
• Aproximadamente 15% das emissões totais de hidrocarbonos são fontes 
antropogênicas. 
• Combustão ideal (ou completa) de um fluido hidrocarbono emite apenas CO2 e H2O. 
No entanto, uma quantidade ideal de oxigênio é requerida nestas combustões 
completas, mas isto é muito difícil de ser conseguido. 
• Carros modernos possuem catalisadores que procuram reduzir as emissões 
indesejadas. 
5.5.2 Smogs 
O termo smog é derivado da formação de fumaça (smoke) e nevoeiro (fog), ele apareceu 
devido aos eventos de alta poluição que formam-se em grandes cidades (geralmente no 
inverno sob ventos calmos e condições estáveis e úmidas) devido ás emissões de dióxido 
de enxofre e aerossóis a partir de queima de combustíveis fósseis. 
O caso clássico de Londres 
• Em Londres emissões de aerossóis (núcleos de condensação) em ambiente de alta 
humidade relativa criam nevoeiro. 
• A presença de dióxido de enxofre pode formar ácido sulfúrico. 
• Em Dezembro de 1952, uma massa de ar frio adentrou pelo Canal Inglês e ficou 
estacionário sob a cidade de Londres. 
• Pelo período de 05 dias a cidade de Londres teve um de seus mais severos períodos 
de poluição. 
• Neste período a visibilidade foi tão baixa que as pessoas tinham que caminhar com 
lanternas. 
• Aproximadamente 4 mil pessoas morreram de problemas respiratórios durante este 
evento e outras 8 mil pessoas morreram nos meses subsequentes. 
• Neste período SO2 chegou a uma concentração de 0.7 ppmv (tipicamente é de 0.1 
ppmv em períodos poluídos) e a concentração de partículas foi de 1.7 mg/m3 
(comparado a 0.1 mg/m3 em condições típicas). 
5.5 Poluição Atmosférica. 
b - Nevoeiros devido á Fotoquímica (Los Angeles) 
Quando ocorre a combinação de radiação solar, condições meteorológicas de vento 
fraco com um ambiente urbano altamente poluído podemos ter o nevoeiro 
fotoquímico. 
Estes nevoeiros são caracterizados por alta variedade de poluentes ricos em óxidos de 
nitrogênio, O3, CO, hidrocarbonos, aldeídos e algumas vezes ácido sulfúrico. 
A Fig. 5.12 apresenta variações 
típicas no curso de um dia nas 
concentrações de alguns 
componentes devido á fotoquímica 
na cidade de Los Angeles. 
Precursores de ozônio 
(hidrocarbonos, NOx) surgem no 
inicio do dia na hora do rush e os 
aldeídos, O3 e PAN (peroxyacetyl 
nitrate) tem um máximo no período 
da tarde. 
 
5.5 Poluição Atmosférica. 
As concentrações globais de CO2 CH4 e N2O têm aumentado deste a época da 
revolução industrial. 
Fig. 5.13 - Variações em concentração (a) CO2, (b) CH4, e (c) N2O nos últimos 300 anos 
deduzidos a partir das analises de gelo da Groelândia e da Antártida. 
5.5 Poluição Atmosférica. 
5.6 Ciclos Químicos Troposféricos 
Algumas espécies químicas podem ser transferidas entre os vários reservatórios (i.e. 
hidrosfera, criosfera, biosfera e atmosfera). Como estes componentes não podem ser 
acumulados indefinidamente ocorre ciclos que são denominados ciclos geoquímicos. 
Fig. 5.14 – Principais fontes e sumidouros de Nitrogênio na atmosfera. Números ao longo das setas são 
estimativas da media anual Tg(N) por ano; vários graus de incerteza, alguns bastante grandes, estão associados 
com todos os fluxos. Números entre chaves são o total da espécie na atmosfera. 
5.6 Ciclos Químicos Troposféricos 
Fig. 5.15 – Variações do ciclo do enxofre. 
5.7.1 Ozônio estratosférico 
a. Distribuição 
• Na estratosfera o O3 tem o papel de reduzir a 
intensidade de radiação UV (λ entre 0.23 e 0.32 
µm). 
• A absorção influencia o perfil de temperatura. 
• Está envolvido em várias reações químicas. 
 
A Fig. 5.16 mostra resultados recentes de medidas 
de O3. Os perfis mostram uma clara presença de 
uma camada entre as alturas 15-30 km de altitude, 
mas ocorrem variações em termos de latitudes, 
estações do ano e condições meteorológicas. 
 
Uma umidade Dobson (DU) é a espessura, em 
centenas de milímetros, que o O3 total na coluna 
ocuparia a 0oC e 1 atm. A coluna total de O3 na 
Terra é de aproximadamente 300 DU. Isto é, se todo 
o O3 da atmosfera for trazido a temperatura de 0
oC 
e 1 atm ele teria uma camada de apenas 3mm). 
Fig. 5.16 - Distribuição média vertical da 
distribuição de ozônio baseado em medidas em 
diferentes latitudes (em graus). Note o aumento 
na coluna de ozônio (DU) conforme aumenta a 
latitude. 
Medidas in situ dos perfis verticais de O3 podem ser obtidos por sondas atmosféricas, 
que podem ser levadas por balões. 
5.7.1 Ozônio estratosférico 
Medidas in situ dos perfis verticais de 
O3 podem ser obtidos por sondas 
atmosféricas, que podem ser levadas 
por balões. 
http://www.wmo.int/pages/prog/arep/
gaw/ozone/davis.html 
http://www.awi.de/en/infrastructure/stat
ions/neumayer_station/observatories/me
teorological_observatory/upper_air_soun
dings/ozone_soundings/ 
http://www.awipev.eu/routine-data/latest-o3-soundings.html 
Ozônio pode ser estimado por satélites usando as técnicas demonstradas na Fig. 5.17, 
denominadas por (a) espalhamento retroflexo UV(BUV), (b) ocultação, (c) emissão pelo 
limbo, e (d) espalhamento pelo limbo. 
5.7.1 Ozônio estratosférico 
Fig. 5.17 – Quatro técnicas passivas para medir 
o ozônio a partir de satélites. 
Teoria de Chapman 
Em 1930 Sidney Chapman (geofísico inglês) propôs um esquema simples para 
explica a manutenção de concentrações de equilibro de O3 na estratosfera. 
A reação consistia da dissociação de O2 por radiação UV ( comprimento de onda 
< 0.242 µm). 
 
O2 + hν  2O (5.43) 
 
A reação do oxigênio e oxigênio molecular formam o O3 
 
O + O2 + M  O3 + M (5.44) 
 
(onde M representa N2 ou O2), a dissociação de O3 (ocorre para λ < 0.366 µm) 
O3 + hν  O2 + O (5.45) 
 
E a combinação de oxigênio atômico e O3 para formar o O2 
O + O3  2O2 (5.46) 
5.7.2 Perturbações antropogênicas ao ozônio estratosférico: 
O buraco na camada de ozônio. 
 
Mudanças na concentração de componentes catalíticos pode ser induzida por ações 
antropogênicas, e portanto alterar o balanço entre as fontes e sumidouros de O3 na 
estratosfera. 
Fig. 5.19 – Observações por satélite da coluna total de ozônio no hemisfério sul durante 
Outubro para 8 anos desde 1970 até 2002. (DU). 
 
Dados mais recentes podem ser obtidos da NASA em: 
http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/ 
Fig. 5.20 – Extensão da Área do buraco na camada de ozônio (menos 
de 220 DU), médias de Setembro a Outubro de 1979 a 2003. 
Durante o inverno austral (Junho-Setembro), o ar da estratosfera sobre a Antártida 
não interage com ar de latitudes medias devido á circulação do vórtice que é 
amparado por ventos de oeste que circundam o polo sul. Devidoá ausência de 
aquecimento solar no inverno austral, este ar é extremamente frio e fica retido em 
uma circulação denominada Brewer-Dobson (Fig. 5.21). Nuvens altas denominadas 
“nuvens polares estratosféricas” (PSC) formam-se no interior do vórtice, onde as 
temperaturas podem ficar abaixo de -80oC. 
Na primavera austral, as temperaturas aumentam, os ventos do vórtice se 
enfraquecem, e por Dezembro o vórtice desaparece. 
Em Setembro, quando a luz do sol retorna, a concentração de O3 diminui 
drasticamente. 
http://earth.nullschool.net/#current/wind/isobaric/70hPa/orthographic=-46.86,-84.29,299 
Fig. 5.25 - Média mensal da coluna vertical de profundidade ótica de aerossol de 
comprimento de onda de 1 µm, integrado de 40 km para baixo até 2 km acima da 
tropopausa, de 1979 até 2003. Dados do Ártico são medidas ao norte de 65N e Antártica 
são medidos ao norte de 65S. Alguns dos vulcões ativos estão indicados. As mudanças 
mais notáveis foram devido aos El Chichon (4 Abril 1982) e Pinatubo (15 Junho 1991). 
As fontes mais significantes de SO2 na estratosfera vem de erupções vulcânicas. O 
efeito destas erupções podem afetar a profundidade ótica dos aerosóis. 
5.7.3 Aerosois e enxofre na Estratosfera 
Como os vulcões afetam o clima? 
https://eos.org/meeting-reports/how-do-high-
latitude-volcanic-eruptions-affect-climate