1.1 Meteorologia Física I Constituição part01

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Meteorologia Física I 
Prof. Renato Ramos da Silva 
Universidade Federal de Santa 
Catarina (UFSC) 
Constituição da Atmosfera - Parte 01 
http://oco.jpl.nasa.gov/galleries/Videos/ 
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 
 
 
Análise do Espectro de absorção da radiação mostra que 
ocorrem bandas de absorção em várias bandas em função 
dos gases presentes. 
Faremos inicialmente uma revisão sobre os vários gases e 
partículas que compõem a atmosfera terrestre. 
Constituição da Atmosfera – Parte 1 
(Baseado no livro Wallace & Hobbs – Capítulo 5) 
Inicialmente, os estudo da Química tiveram a 
preocupação em determinar e estudar os 
principais gases da atmosfera da Terra. 
Mais recentemente, conforme a poluição do ar 
aumentou, muita atenção passou a ser dada 
também na identificação das fontes, 
propriedades e efeitos dos compostos químicos 
que existem naturalmente, mas também 
aqueles provindos da poluição atmosférica. 
Química da Atmosfera 
A deposição ácida, que tornou-se um problema 
a partir dos anos 1970 mostraram que os 
componentes químicos emitidos na atmosfera 
podem ser transportadas para grandes 
distâncias e sofrer significantes transformações. 
A identificação em 1985 da diminuição do 
ozônio na estratosfera da Antártida levou a 
outros estudos para melhorar o entendimento 
da química da estratosfera. 
• 5.1 Composição da Troposfera 
• Os gregos consideravam o ar como sendo um dos quatro 
“elementos" (os outros eram a terra, o fogo e a água). Leonardo 
da Vinci, e posteriormente Mayow, sugeriu que ar é uma 
mistura constituída por um componente que promove 
combustão e vida (“air-fire") e o outro que não ("mau-air"). 
• “air fire" foi isolado por Scheele em ​​1773 e de forma 
independente por Priestley em 1774. Este componente foi 
nomeado oxigênio [do grego oxus (ácido) e genan (a gerar)] por 
Lavoisier. 
• Oxigênio ocupa 20,946% por volume de ar seco. 
• "mau-air" (agora chamado nitrogênio) ocupa 78,084%. Os 
outros dois gases mais abundantes no ar são argônio (0,934%) e 
dióxido de carbono (0,03%). Juntos estes quatro gases são 
responsáveis ​​por 99,99% do volume de ar. 
Tempo de residência e variação espacial dos 
compostos químicos da atmosfera. 
 • Se a concentração média global de um constituinte na atmosfera 
não varia significativamente para um período de tempo, a taxa em 
que o constituinte é injetado (e/ou produzido) na atmosfera deve 
ser igual a taxa em que ele é removido da atmosfera. 
• Nestas condições de equilíbrio, podemos definir o tempo de 
residência (ou tempo de vida) como: 
• τ = M/F (5.1) 
• onde M é a quantidade do constituinte na atmosfera (kg) e F é a 
taxa de sua remoção (em kg/s) da atmosfera. 
• Podemos fazer uma analogia com um tanque cheio de água e que 
esteja derramando a partir do topo devido a um bombeamento em 
baixo a uma taxa F. Portanto a taxa de remoção de água do tanque 
é F. Se assumirmos que a água que entra em baixo do tanque 
desloca a água acima empurrando para cima sem misturas, o 
tempo desprendido por cada pequeno elemento de água que entra 
em baixo antes de ele ser derramado em cima é M/F, onde M é o 
volume do tanque em analogia com 5.1. 
Fig. 5.1 Escalas de variabilidade espaciais e temporais para alguns constituintes 
atmosféricos. A escala temporal é representada pelo tempo de residência. 
Tempo de residência e variação espacial dos 
compostos químicos da atmosfera. 
 
5.2 – Fontes, Transportes, e Sumidouros 
• 5.2.1 Fontes 
• As principais fontes naturais de gases na 
troposfera são os biogênicos, a partir de 
superfícies sólidas, dos oceanos, e da 
formações in situ. 
 
A) Fontes Biogênicas 
• O Oxigênio presente na atmosfera terrestre foi liberado por 
atividades biológicas que surgiram 3.8 bilhões de anos atrás, e a 
Terra ainda é bastante influenciada pela biota. De grande 
importância é a reação fotossintética, que remove carbono da 
atmosfera e armazena em matéria orgânica e expele oxigênio 
para a atmosfera. 
• Aproximadamente 80% do Metano (CH4) no ar provém do 
decaimento de materiais orgânicos, animais ruminantes, arroz 
irrigado, cupins, e pântanos. 
• Processos biológicos (geralmente mediados por micróbios) 
convertem N2 em NH3 (pela urina animal e solos), N2O (pela 
respiração das bactérias nos solos), e NO. 
 
• Regiões dos oceanos com alto conteúdo orgânico e produtividade 
biológica (regiões de subsidência, águas costeiras, etc) são 
grandes fontes de CS2 e COS. Fitoplâncton são as principais fontes 
de DMS (dimetil sulfeto), (CH3SSCH3). DMS é oxidado para SO2 e 
então em aerossóis de sulfato. 
http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/SeaWiFS/ 
http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cms/ 
Fig. 5.2 Distribuição global de fogo detectado a partir de satélites em Setembro de 2000. (ESA) 
A Figura 5.2 mostra a distribuição global do número de incêndios para 
Setembro de 2000. Setembro é o principal mês de queima de biomassa na 
América do Sul e sul da África. Muitos incêndios são originados a partir de 
raios, mas a grande maioria é devido ao desmatamento da floresta (e.g. 
Amazônia, África, Ásia). 
http://www.cptec.inpe.br/noticias/noticia/125904 Go Amazon (Manaus) 
• Ozônio é produzido na troposfera por reações fotoquímicas envolvendo 
oxidação por OH de CO, CH4, e NMHC na presença de NOx. Como todos estes 
precursores estão presentes na fumaça da combustão de biomassa ocorre 
elevadas concentrações de O3 que é dispersado na atmosfera. 
• Fumaça provinda de queima de biomassa pode ser dispersada sobre grandes 
distâncias na atmosfera. Por exemplo, o vento pode ajudar a dispersar a 
fumaça a partir da África sobre o Oceano Atlântico e até a Austrália (Fig. 5.3). 
Fig. 5.3 - Medidas de satélite do ozônio troposférico para Setembro e Outubro de 1979-1989. 
O valor alto de ozônio da coluna sobre a região tropical e sul da África são devido 
à fumaça de queima de biomassa. 
b) Superfícies sólidas 
Vulcões são a principal fonte de gases atmosféricos a 
partir da superfície sólida da Terra. Em adição à poeira e 
outras partículas, vulcões emitem H2O, CO2, SO2, H2S, 
COS, HCl, HF, HBr, CH4, CH3Cl, H2, CO e metais pesados 
(e.g. Mercúrio). Emissões violentas para erupções 
vulcânicas podem ejetar partículas e gases na 
estratosfera, onde os constituintes possuem longos 
tempos de residência e são dispersos por todo o globo. 
Rochas são a principal fonte de He, Ar, e Radônio (Rn) na 
atmosfera. Hélio é produzido pelo decaimento radiativo 
de uranio-238 e tório-232. Hélio não se acumula na 
atmosfera significativamente porque é muito leve e 
escapa para a exosfera. Argônio acumula-se a partir do 
decaimento radiativo de potássio-40 em rochas, Radonio-
222 é um decaimento a partir de uranio em rochas; ele 
possui uma meia-vida de apenas 3.8 dias. 
Rochas carboníferas, como pedra calcária (e.g. CaCO3), 
contém aproximadamente 20 mil vezes mais carbono do 
que a atmosfera (Tab. 2.3), mas a maior parte é 
sequestrada. Estas rochas e os sedimentos marinhos são 
envolvidos em longos períodos do ciclo com o CO2 
atmosférico. 
c) Oceanos 
Os oceanos são um dos grandes reservatórios de gases solúveis em água (Tab. 2.3). Assim, 
Os oceanos poder servir como um sumidouro ou fonte para os gases solúveis. 
Os oceanos são uma fonte atmosférica para muitos gases produzido por atividade 
biológica, particularmente os gases que contém enxofre. 
d) In situ 
Formações in situ, que referem-se á formação de espécies químicas por reações químicas 
na atmosfera, é a principal fonte de vários gases atmosféricos.A maior parte destas 
reações ocorre a partir da fotólise. 
Estas reações químicas in situ podem ser classificadas como homogêneas ou 
heterogêneas. Uma reação homogênea é aquela em que todos os reagentes estão na 
mesma fase. Por exemplo: 
 
NO2 (g) + O3 (g) ---> NO3(g) + O2 (g) 
 
que é a principal fonte de NO3 na atmosfera em uma reação homogênea (gás). 
Uma reação heterogênea envolve reagentes em duas ou mais fases. A mistura de 
aerossóis inorgânicos (e.g. acido sulfúrico H2SO4) ou ácido nítrico (HNO3) com compostos 
orgânicos (e.g. aldeídos) é uma reação heterogênea que aumenta apreciavelmente a taxa 
de crescimento de aerossol. 
e) Fontes antropogênicas 
A emissão de gases antropogênicos tem aumentado significativamente nos últimos anos. 
5.2.2 Transporte 
Na camada limite planetária a 
atmosfera interage 
diretamente com a superfície 
da Terra através de misturas 
turbulentas. 
Consequentemente, durante o 
dia sobre a superfície, os 
componentes químicos são 
geralmente misturados até 
uma altura de ~ 1-2 km na 
camada limite. No período da 
noite a mistura turbulenta é 
menor, pois a profundidade da 
camada limite é de apenas 
alguns metros. Alguns 
componentes podem ir além 
da altura da camada limite e 
chegar á atmosfera livre. 
e.g. isosuperficies de “cloud 
water”, RRS. 
• Em latitudes médias onde os ventos são de oeste e possuem velocidades entre 10-
30 m/s, um componente químico injetado na atmosfera (e.g. vulcão), poderá ficar 
confinado em um cinturão de latitude por todo o globo por algumas semanas. 
• No hemisfério norte os componentes químicos são bastante afetados por emissões 
de queima de combustíveis fósseis, enquanto que no hemisfério sul os 
componentes químicos são mais afetados por emissões dos oceanos e de queima 
de biomassa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Em geral ocorre um confinamento entre a troposfera e a estratosfera. Movimentos 
verticais ascendentes ocorrem mais nos trópicos enquanto os descendentes 
ocorrem mais nas latitudes mais altas. 
• Dados de satélite permitem observar alguns dos principais tipos de transportes 
atmosféricos de gases e partículas. Por exemplo, podem ser observadas, plumas de 
partículas no nordeste dos EUA e Ásia, plumas de areia do deserto do Saara, e 
plumas de queima de biomassa. 
Pinatubo, 1991 
 
5.2.3 Sumidouros 
 
• Sumidouros incluem transformações em outras espécies 
químicas e gas-para-partícula, que envolve processos físicos e 
químicos. 
• Outro processo importante de remoção é a deposição que pode 
ser seca ou úmida. Deposição úmida envolve a remoção por 
nuvens e precipitação. Deposição seca, a transferência direta do 
ar para a superfície. Deposição seca é um processo bastante 
lento, mas é contínuo e não episódico. 
• Os oceanos são o sumidouro para vários gases. O fluxo de algum 
gás para o oceano depende da saturação do oceano em relação a 
este gás. Se o oceano está supersaturado o fluxo é do oceano 
para a atmosfera (e.g. o fluxo global estimado de DMS do oceano 
para a atmosfera é ~ 25 Tg de enxofre por ano). 
CPTEC INPE - http://meioambiente.cptec.inpe.br/ 
Sites interessantes 
http://www.arm.gov/campaigns 
http://oco.jpl.nasa.gov/ 
http://oco.jpl.nasa.gov/galleries/Videos/ 
http://www.jpl.nasa.gov/education/index.cfm?page=419 
http://planetquest.jpl.nasa.gov/video/51 
Poeira do Deserto do Saara transportado para a Amazônia 
https://www.youtube.com/watch?v=ygulQJoIe2Y&list=PLiuUQ9asub3RHqKdK_XZSZ8I_981UPhvX&index=3 
Aerosois - 
http://www.uv.es/pedrose/aerogui/