1.1 Meteorologia Física I Constituição part2

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Meteorologia Física I 
Prof. Renato Ramos da Silva 
Universidade Federal de Santa 
Catarina (UFSC) 
Constituição da Atmosfera - Parte 2 
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 
 
Processos Físicos e Químicos que regulam a composição da atmosfera e o clima 
Constituição da Atmosfera – Parte 2 
(Baseado no livro Wallace & Hobbs – Capítulo 5) 
• 5.3 Alguns gases troposféricos importantes. 
• 
• 5.3.1 Radical OH 
• Devido à sua alta reatividade com compostos orgânicos 
e inorgânicos, OH é um dos mais importantes 
compostos químicos da atmosfera, mesmo que tenha 
uma concentração de apenas algumas dezenas de pptv 
(aprox. 1012 OH moléculas/m3, ou aproximadamente 3 
OH moléculas por 1014 moléculas de ar). Como é 
bastante reativo, a vida média de uma molécula OH na 
atmosfera é somente aproximadamente 1s. 
 
Os radicais de OH são produzidos quando a 
radiação solar UV decompõe O3 em oxigênio 
molecular e energeticamente excita átomos de 
oxigênio 
 
O3 + hν  O2 + O* 
 
Uma pequena fração (aprox. 1%) de O* reage 
com vapor d’água para formar os radicais OH 
 
O* + H2O  2 OH 
 
Os radicais são um forte oxidante que reage 
rapidamente com a maioria dos gases que 
contem H, C, N, O, e S e os halogêneos. Por 
exemplo, OH reage com CO para formar CO2, 
NO2 para formar HNO3, H2S para formar SO2, 
SO2 para formar H2SO4, etc. (Fig. 5.4). 
5.3.2 Compostos reativos de Nitrogênio 
 
Óxidos de Nitrogênio 
Os óxidos de nitrogênio, NO, e NO2 (dióxido), que juntos são referidos como NOx, 
tem um papel importante na atmosfera. Eles são produzidos por combustíveis 
fósseis, queima de biomassa, solos, raios, oxidação de NH3, emissões de 
aeronaves, e transportes da estratosfera. 
 
Radical de nitrato 
No período noturno o radical NO3 é o principal oxidante da atmosfera. 
 
5.3.3 Compostos orgânicos 
Compostos orgânicos contém átomos de carbono. Os quatro elétrons na orbita do 
carbono pode formar acoplamentos com quatro elementos: hidrogênio, oxigênio, 
nitrogênio, enxofre, halogênios, etc. 
Metano é o mais abundante hidrocarbono da atmosfera. A concentração atual do 
CH4 no hemisfério norte é ~1.7 ppmv; ele tem um tempo de residência na 
atmosfera de ~9 anos. Fontes de metano incluem pântanos, animais domésticos, 
cupins, queima de biomassa, escape de linhas de gás natural e de minas de 
carvão. 
O principal sumidouro de CH4 é a oxidação por OH para formar formaldeído 
(HCHO). 
5.3.4 Monóxido de carbono 
O monóxido de carbono é 
produzido pela oxidação de CH4 
ou NMHC, como os isoprenos. 
Outras fontes importantes de CO 
são a queima de biomassa e de 
combustíveis fósseis. O 
sumidouro dominante de CO é a 
oxidação por OH 
 
CO + OH  H + CO2 
 
A figura 5.5 mostra as medidas 
de CO a partir de dados de 
satélite. Altas concentrações são 
observadas na América do Sul e 
África devido á queima de 
biomassa. 
Fig. 5.5 - Concentração de CO em uma altitude 
de ~ 4.5 km medido a partir de satélites. 
Concentrações variam de valores ~ 50 pptv 
em regiões de azul até 450 ppbv em regiões 
vermelhas. 
O CO pode ser transportado para cima e também 
 carregado para distâncias horizontais bastante 
longínquas. 
5.3.5 Ozônio 
Como aproximadamente 90% da 
atmosfera terrestre está na 
estratosfera, foi sugerido na metade 
do século XX que a estratosfera era a 
principal fonte para o O3 
troposférico. Foi verificado 
posteriormente que gases como NO, 
CO e compostos orgânicos levam á 
formação de O3 através de reações 
fotoquímicas. (Fig. 5.6). 
Ozônio tem um papel no controle da 
capacidade de oxidação da 
atmosfera. 
Fig. 5.6 – Distribuição sazonal da coluna de 
ozônio troposférico (Dobson) determinada a 
partir de medidas de satélite (1979 a 2000). 
Ozônio bom e Ozônio Ruim. 
************************************************ 
• Christian Friedrich Schönbein descobriu o Ozônio através do cheiro sentido após 
uma descarga elétrica. 
• Ele denominou este gás ozônio devido á palavra grega ozein, que significa cheiro 
(smell). O ozônio é um gás azulado que é tóxico e explosivo. 
• Devido à sua alta reatividade ele é um excelente agente oxidante da atmosfera que 
pode danificar plásticos e borrachas e pode ser maléfico para seres humanos e 
plantas mesmo em baixas concentrações (~ algumas dezenas de ppbv). 
• Haagen-Smit sugeriu que a formação de O3 nas cidades era devido à reações 
químicas envolvendo óxidos de nitrogênio e hidrocarbonos emitidos por carros e 
refinarias de óleo. 
• Ozônio reage com hidrocarbonos a partir de exaustores de automóveis e 
evaporação de gasolina para formar poluentes orgânicos secundários como os 
aldeídos e ketones. 
• Ozônio produzido em áreas urbanas pode ser transportado para áreas rurais bem 
longe das áreas industriais. (Explo. Maine e N. York). 
• Em contraste aos efeitos ruins do ozônio maléfico da troposfera, a alta 
concentração de ozônio na estratosfera reduz a intensidade dos raios UV do sol. 
5.3.6 Compostos de Hidrogênio 
Os compostos de hidrogênio (H) são os mais 
importantes oxidantes para muitos componentes 
químicos da atmosfera. 
 
5.3.7 Gases de enxofre 
 
• Enxofre é assimilado por organismos vivos e, 
portanto é então expelido como um produto 
final do metabolismo. Os gases de enxofre 
mais importantes da atmosfera são o (Dióxido 
de Enxofre) SO2, H2S, DMS, COS, e CS2. 
• Vulcões e queima de biomassa são fontes de 
SO2 atmosférico, mas a maior parte de SO2 
provem de combustíveis fósseis. 
 
5.4 Aerossóis Troposféricos 
 
 Aerossóis atmosféricos são pequenas partículas solidas ou liquidas 
(excluindo as partículas de nuvens) presentes no ar que possuem velocidade 
terminal desprezível. 
A Figura 5.7 mostra algumas partículas que tem um papel importante na atmosfera. 
Fig. 5.7 – Tamanho e importância das partículas da atmosfera. 
5.4.1 – Fontes de aerossóis 
a. Biológica 
Partículas sólidas e líquidas podem ser emitidas para a atmosfera a partir de 
plantas e animais. Estas emissões incluem sementes, pólen, fragmentos de animais 
e plantas e possuem diâmetro da ordem de 1-250 micrometros em diâmetro. 
Bactérias, algas, fungos são geralmente < 1 micrometro em diâmetro. 
Os oceanos são uma das mais importantes fontes de aerossóis atmosféricos 
(~1000-5000 Tg por ano, incluindo partículas de ~2-20 µm de diâmetro). 
Próximo da superfície dos oceanos, sal marinho geralmente domina a massa de 
partículas supermicrometras e submicrometras. 
O principal mecanismo de ejeção de materiais 
oceânicos na atmosfera é através de explosão de 
bolhas. Aerossóis compostos de sal marinho 
originam de gotículas ejetadas 
para o ar quando as bolhas de ar estouram na 
superfície do oceano (fig. 5.8). 
Muitas gotas pequenas são produzidas quando a 
porção superior de uma película de bolha de ar se 
rompe. Estas recebem o nome de gotículas de 
filme (Fig. 5.8b). 
Bolhas > 2 mm em diâmetro ejetam ~100-200 
gotículas no ar. Após a evaporação, estas gotículas 
deixam no ar partículas de sal com diâmetros 
menores do que ~0.3 µm. Em alguns casos podem 
formar-se jatos que lançam gotas até a altura de 
15 cm no ar (Fig. 5.8d). Algumas destas gotas 
evaporam e deixam para trás partículas de sal com 
diâmetros > 2 µm. A taxa média de produção de 
partículas de sal sobre os oceanos é ~100 cm-2 s-1. 
Sais higroscópicos [NaCl (85%), KCl, CaSO4] são da 
ordem de 3.5% da massa de água salgada. 
Partículas de sal não formarão gotas até que a 
umidade relativa do ar chegue a 75%. 
Fig. 5.8 - Ilustração de como gotículas e 
jato de gotas são produzidas quando 
umabolha é ejetada da superfície da 
água. Na superfície dos oceanos 
algumas das gotículas evaporam para 
deixar partículas de sal e outros 
materiais no ar. O tempo entre (a) e (d) 
é aprox. 2ms. A gotícula é inicialmente 
de 5-30 micrometros de diâmetro antes 
de evaporar-se. O tamanho do das 
gotas do jato é de aproximadamente 
15% do diâmetro das bolhas de ar. 
Resíduos (fumaça) de queimadas 
florestais é uma importante fonte de 
aerossóis. 
Pequenas partículas de fumaça e 
cinzas são injetadas diretamente no ar 
por estas queimadas. 
Estima-se que 54 Tg de partículas 
sejam injetadas na atmosfera a cada 
ano por queima de biomassa. 
No gráfico da função de distribuição 
de partículas a partir das queimadas 
ocorre um pico em ~0.1 µm em 
diâmetro e portanto, são partículas 
eficientes como núcleos de 
condensação. 
Outras partículas biogênicas (e.g. 
bactérias, pequenos pedaços de 
vegetação, etc) podem também ser 
núcleos de condensação eficientes. 
Pyroclouds/Amazonia 
Distribuição de aerossóis de fumaça (D < 2.5 μm; in μg m–2) e campos de vento na 
camada limite sobre a América do Sul . A distribuição de aerosois foi obtida pelo satélite 
Geostationary Operational Environmental Satellites–Automated Biomass Burning 
Algorithm (GOES ABBA) e o modelo RAMS foi usado para modelar o transporte e 
remoção. O voo de onde outros dados foram coletados está marcado pela linha 
vermelha. 
b. Material sólido 
 A transferência de partículas para a atmosfera a partir da superfície da Terra 
é causada por ventos e turbulência atmosférica. Para dar início ao movimento das 
partículas na superfície da Terra, a velocidade do vento de superfície deve exceder 
certos limiares, que dependem do tamanho das partículas e do tipo da superfície. 
 Os limiares são pelo menos ~ 0,2 m/s para partículas 50-200 µm em 
diâmetro (partículas menores aderem melhor á superfície) e para solos contendo 50% 
de argila. Para alcançar uma velocidade de fricção de 0,2 m/s requer uma velocidade 
de vento de vários metros por segundo a poucos metros acima do nível do solo. Uma 
importante fonte de pequenas partículas (~10-100 µm em diâmetro) é o salteamento 
em que grãos de areia podem ser levados até certa altitude e depois precipitam. 
c. Antropogênico 
 A principal fonte de aerossóis antropogênicos são a poeira das rodovias, a 
erosão de solo exposto, a queima de biomassa e combustíveis fósseis, e processos 
industriais. 
d. Formação in situ 
 Gases podem se condensar em superfícies de partículas ou podem se 
condensar para formar novas partículas. Três grandes famílias de compostos químicos 
estão envolvidas na conversão gás-partícula: enxofre, nitrogênio e materiais 
orgânicos. 
A Tabela 5.3 sumariza a estimativa das magnitudes das principais fontes de emissão 
direta de partículas na atmosfera e fontes in situ. 
5.4.2 – Composição Química 
Com exceção dos aerossóis marítimos, que são 
compostos de cloreto de sódio, a massa dominante 
é de enxofre. 
 
5.4.3 – Transportes de aerossóis 
Os aerossóis são transportados pelo vento que 
encontram durante o tempo despendido na 
atmosfera. O transporte pode ter escala 
intercontinental e até mesmo global. 
 
5.4.4 – Sumidouros de aerossóis 
Na média as partículas são removidas da atmosfera 
na mesma taxa de entrada. Pequenas partículas 
podem ser transformadas em partículas grandes 
através da coagulação, que é confinada a partículas 
menores do que 0.2 µm em diâmetro. Embora 
coagulação não remova a partícula da atmosfera, 
ela modifica o tamanho e pode promover a 
remoção por outros mecanismos. 
Poeira do Deserto do Saara 
https://www.youtube.com/watch?v=ygulQJoIe2Y&list=PLiuUQ9asub3RHqKdK_XZSZ8I_981UPhvX&index=3 
5.4.5 – Distribuição de Concentração e 
Tamanhos 
O contador de partículas Aitken é uma técnica 
usada para medir a concentração de partículas. 
Neste instrumento, ar saturado é expandido 
drasticamente de forma que ele torna-se 
supersaturado por varias centenas de vezes 
com relação á água. Neste estado de 
supersaturação, as moléculas de vapor 
condensam-se em praticamente todas as 
partículas do ar para formar uma nuvem de 
pequenas gotículas. Avaliando-se o número 
destas partículas condensadas tem-se uma 
estimativa do número de partículas contidas 
naquela amostra. 
As partículas aerossóis atmosféricas variam em 
tamanho a partir de ~10-4 µm a dezenas de 
micrometros. A Fig. 5.9 apresenta a 
distribuição de partículas continentais 
marinhas e para ar urbano poluído. 
Fig. 5.9 – Numero de distribuição de 
partículas troposféricas obtidas a partir de 
várias medidas continentais (vermelho), 
marinhas (azul), e ar urbano poluído (preta) 
Fig. 5.9 – Numero de distribuição de partículas 
troposféricas obtidas a partir de várias 
medidas continentais (vermelho), marinhas 
(azul), e ar urbano poluído (preta) 
Algumas verificações feitas a partir da 
Figura 5.9: 
• As concentrações de partículas 
diminuem rapidamente conforme 
aumenta o tamanho. Portanto, o 
numero total de concentração (i.e. 
Aitken ou numero CN) é dominado 
por partículas com diâmetros 
menores do que 0.2 µm, que são 
denominadas núcleos Aitken ou 
núcleos de condensação. 
• O gráfico confirma que temos mais 
partículas em ambientes urbanos 
poluídos e menos sob ar marinho. 
A Fig. 5.10 apresenta a 
distribuição de área de 
superfície e volume para ar 
continental e ar poluído 
urbano. 
Os máximos e mínimos estão 
associados com as fontes e 
sumidouros de aerossóis. 
 
O máximo proeminente em 
~0.2-2 µm em diâmetro é 
devido principalmente ao 
crescimento de Núcleos de 
Condensação (CN) por 
coagulação. Fig. 5.10 - (a) Área de superfície típica e (b) 
volume para ar poluído urbano (linha preta) e 
ar continental limpo (linha vermelha). 
5.4.6 – Tempo de residência 
A figura 5.11 apresenta estimativas 
do tempo de residência de 
partículas na atmosfera como 
função dos seus tamanhos. 
Partículas com diâmetro < 0.01 µm 
possuem tempo de residência < 1 
dia; o principal mecanismo para 
remoção nestes tamanhos são a 
difusão para partículas de nuvens e 
coagulação. Partículas maiores de 20 
µm em diâmetro também possuem 
tempo de residência < 1 dia, mas 
elas são removidas por 
sedimentação, impactação em 
superfícies e precipitação. 
Fig. 5.11 – Curvas esquemáticas da área de superfície da partícula para ar poluído 
urbano (linha preta), ar continental (linha vermelha) e ar marinho (linha azul). Abaixo 
das curvas são apresentadas fontes típicas e sumidouros das partículas e seus tempos 
médios de residência na troposfera. 
Aerosois http://www.uv.es/pedrose/aerogui/