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ATMOSFERA Estrutura e composição IGcUSP Sonia MB Oliveira.

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Apresentação em tema: "ATMOSFERA Estrutura e composição IGcUSP Sonia MB Oliveira."— Transcrição da apresentação:

1 ATMOSFERA Estrutura e composição IGcUSP Sonia MB Oliveira

2 A ATMOSFERA TERRESTRE Decifrando a Terra cap. 4

3 Sistema exógeno No sistema solar, só Mercúrio não tem atmosfera. Mas só a Terra tem um sistema integrado de litosfera/hidrosfera/atmosfera/ biosfera. A massa das chamadas “esferas externas” é pouco importante em relação à massa da Terra. Atmosfera - 0,00009 % Hidrosfera - 0,024 % Biosfera ou ecosfera - 0, % H : A : B : : : 300 : 1

4 1.Estrutura da atmosfera 2. Movimentação das massas de ar 3. Composição da atmosfera 4.Balanço energético 5.Poluição atmosférica Massa da atmosfera: 5, kg

5 1. Estrutura da atmosfera

6 Fluidos compressíveis e incompressíveis: o ar é um fluido compressível

7 Fluidos compressíveis e incompressíveis: a água é um fluido incompressível Pressão no oceano cresce 1 atmosfera para cada 10m de profundidade

8 Pressão A pressão atmosférica diminui exponencialmente com a altitude. Diminui pela metade a cada 7 km. 75% da massa da atmosfera está contida nos primeiros 11 km. 99,999 % da massa está contida nos 100 km a partir da superfície.

9 Temperatura A temperatura da atmosfera é consequência direta ou indireta da absorção da radiação solar pelas moléculas ou átomos da atmosfera. As principais moléculas que absorvem são: N 2, O 2, O 3, NO 2 e os particulados. Com base na temperatura, a atmosfera é dividida em camadas. -60 o C 0oC0oC -80 o C

10 Pressão e temperatura da atmosfera A 16 km a pressão atmosférica é de 0,1 atm

11 Troposfera Vai de 0 a km de altitude. Contém % da massa da atmosfera e quase todo o vapor d’água (≤ 4%). A umidade relativa do ar aumenta com a temperatura. É aquecida a partir da radiação refletida de volta da superfície da Terra. Fria em cima (esfria 6,5 o C /km, em média, com a altitude) e quente em baixo: instabilidade. Homogênea e turbulenta. Sede dos fenômenos climáticos. Limitada pela tropopausa (7 km nos polos e 15 km no equador).

12 Pressão de vapor da água em função da temperatura

13 Estratosfera Vai de 12 a 48 km de altitude (-60 o C a 0 o C). Nos 2/3 superiores (24-48 km): escudo de O 3 (concentração de alguns ppm, enquanto que na troposfera a concentração é de 0-0,07 ppm). A temperatura cresce porque o O 3 absorve a radiação UV e emite na faixa do infravermelho. Ar menos denso em cima e mais denso em baixo: equilíbrio. Partículas ficam presas na estratosfera por muito tempo. Limitada pela estratopausa, onde a pressão é de 1/1000 atm.

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15 2. Movimentação das massas de ar

16 Ventos Deslocamentos de massas de ar. Ar quente sobe, resfria e desce. Por causa da rotação da Terra, há desvio das massas de ar.

17 Circulação atmosférica Sem rotação Sem inclinação do eixo (insolação direta no equador) Fonte: Célula de Hadley

18 Circulação atmosférica Força de Coriolis Força aparente Deflete o movimento Hemisfério norte: para a direita Hemisfério sul: para a esquerda  Devido ao sentido de rotação da Terra (de oeste para leste) Fonte:

19 Circulação atmosférica Com rotação Sem continentes Sem inclinação do eixo (insolação direta no equador) Três pares de células SIMÉTRICAS Hadley Ferrel Polar Fonte:

20 Circulação atmosférica Inclinação do eixo de rotação + translação = Estações do ano Fonte:

21 Circulação atmosférica Com a variação da distribuição de calor recebido do Sol ao longo do ano, observamos a sazonalidade no comportamento das células de circulação atmosférica. Janeiro Julho Fonte: ITCZ: intertropical convergence zone

22 Monções Transferências sazonais de calor entre continentes e oceanos. A água responde mais devagar que a terra ao aquecimento. No verão, o continente é zona de baixa pressão e o vento vem do oceano. No inverno, o oceano é zona de baixa pressão e o vento vem do continente.

23 3. Composição da atmosfera

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25 Atmosferas da Terra, Vênus e Marte Vênus (100atm) Terra (1 atm) Marte (.01 atm) CO %0.033%95.3% N2N2 3.5%78.0%2.7% H2OH2O30-200ppm3%100ppm He12ppm5.2ppm100ppm Ne7ppm18.2ppm2.5ppm Ar70ppm9340ppm16000ppm Kr0.05ppm1.14ppm0.03ppm Xe0.04ppm0.087ppm0.08ppm

26 Comparações com a atmosfera da Terra Marte tem uma atmosfera tênue (P = 1/100 atm) composta principalmente de CO 2. Vênus tem uma atmosfera densa (P = 100 atm), composta principalmente de CO 2. Planetas gigantes têm atmosferas muito densas, formadas por de H 2, He e CH 4.

27 Nitrogênio 5 o elemento mais abundante no sistema solar Gás inerte Tempo de residência na atmosfera: 100 Ma. Essencial para a vida Fonte: denitrificação biológica (bactérias reduzem o nitrato a N 2 ; alternativamente reduzem o NH 4 + a N 2 ). Sumidouro: fixação biológica (bactérias oxidam/fixam o N 2 em NH 4 + ).

28 O ciclo do nitrogênio na atmosfera Fixação do nitrogênio 2N 2 + 6H 2 O → 4NH 3 + 3O 2 (Rhizobium) 4NH 3 + H 2 O → NH OH - Nitrificação 2NH O 2 → 2NO H 2 O + 4H + (Nitrosomonas) 2NO O 2 → 2NO 3 - (Nitrobacter) Denitrificação 4NO H 2 O → 2N 2 + 5O 2 + 4OH - (Pseudomonas ou Clostridium)

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30 Oxigênio 3º elemento mais abundante no sistema solar Tempo de residência na atmosfera: 4300 anos (divide- se o estoque na atmosfera 38*10 18 mol O 2 pelo fluxo 8,7*10 15 mol O 2 /y). Muito reativo. O ciclo do oxigênio está estritamente ligado ao do carbono (fotossíntese/respiração). Fontes e sumidouros em equilíbrio.

31 Argônio É o 10º elemento mais abundante do universo. É o 3º gas nobre mais abundante. Atmosfera relativamente enriquecida em 40 Ar em relação aos demais gases nobres. Fonte: decaimento do 40 K.

32 Gás carbônico O carbono é o 4º elemento mais abundante do universo. Tempo de residência: 12 anos. Quantidade na atmosfera controlada pelas quantidades na hidrosfera e biosfera. Fonte: respiração e a degradação da matéria orgânica CH 2 O + O 2 → CO 2 + H 2 O Sumidouro: fotossíntese CO 2 + H 2 O → CH 2 O + O 2

33 Outros gases Ne primordial (6º elemento mais abundante no universo). He (2º elemento mais abundante) provém do decaimento radiativo. O He primordial foi perdido. CH 4 produzido pela Archaea, simbioticamente cooperando com plantas e animais. Tem meia vida de 12 anos e é destruído por oxidação: CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O. Xe, Kr, Rn incorporados na origem da atmosfera. H 2 O: TR 10 dias. Quanto maior a temperatura, mais H 2 O a atmosfera pode conter. O 3 : formado e destruído na estratosfera (entre 24 e 48 km de altitude).

34 O 3 na troposfera: 0-0,07 ppm; O 3 na estratosfera: 10 ppm

35 Resumo: principais reações na troposfera Fotossíntese e respiração CO 2 + H 2 O → CH 2 O + O 2 CH 2 O + O 2 → CO 2 + H 2 O Fixação de nitrogênio e denitrificação 2N 2 + 6H 2 O → 4NH 3 + 3O 2 NH 3 + H 2 O → NH 4 + NH 4 + → NO 2 - ou NO 3 - 4NO H 2 O → 2N 2 + 5O OH -

36 Resumo: principal reação na estratosfera Formação e destruição do ozônio O 2 → O + O O + O 2 → O 3 O 3 → O 2 + O O 3 + O → 2 O 2

37 4. Balanço energético na atmosfera

38 Fontes de energia para os processos da atmosfera e hidrosfera Sol: 99,98 % Calor interno + marés: 0,02 % Radiação solar = 343 W/m 2 Equilíbrio térmico: E incidente = E refletida Sol é corpo quente e Terra é corpo frio

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40 Balanço energético Sol quente 6000 o C Emite luz Radiação de comprimento de onda curto 0,3 a 2,0 micra Gaps da radiação incidente: O 3, CO 2, H 2 O, etc. Chega à superfície 49% Terra fria 14 o C Emite calor Radiação de comprimento de onda longo 5 a 50 micra Absorvedores da radiação: H 2 O, CO 2, etc. A superfície emite 49%

41 Energia refletida : albedo 31 %

42 Energia que chega à superfície e é re-emitida 49 % É usada para: evaporar a água fotossíntese mover os ventos mover as correntes marinhas. E é absorvida pelos gases do efeito estufa, antes de ser re- emitida de volta para o espaço.

43 EFEITO ESTUFA Fenômeno natural. Efeito de absorção e re-irradiação da energia incidente por CO 2, H 2 O, CH 4, CFC, etc. Se não houvesse o efeito estufa, com o albedo de 30%, a temperatura da Terra seria de -18 o C

44 Balanço energético σ T e 4 = S/4 * (1-A) σ = 5, W/m 2 /K 4 T e é a temperatura efetiva do planeta S = fluxo solar no topo da atmosfera = 1365 W/m 2 A = albedo = 30 % T e = - 18 º C

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46 Mas a temperatura média observada na Terra é de 15 o C A diferença é devida ao efeito estufa. Os principais gases de efeito estufa são o vapor d’água e o gas carbônico. O óxido nitroso e o metano também são gases estufa, mas estão presentes em pequena quantidade na atmosfera.

47 Comparação com a atmosfera de Vênus Vênus, embora mais próximo do sol que a Terra, recebe menos energia porque tem maior albedo. Mas tem um enorme efeito estufa, o que leva sua temperatura da superfície para 460 o C. Vênus tem temperatura superior à de Mercúrio, que está mais próximo do sol, mas não tem atmosfera.

48 5. Poluição atmosférica

49 Poluição atmosférica: gases e material particulado CO 2 (392 ppm -2012): queima de combustíveis fósseis e fabricação de cimento. CO (0,1 ppm): combustão incompleta. SO 2 : aerossóis: atividade industrial e queima do carvão. NO 2 e NO: combustão de óleo e carvão. O 3 (20 a 50 ppb): catalisadores. CFC: refrigeração.

50 Depleção na camada de ozônio Antártica em setembro de 1987 O 3 ppm CF 2 Cl 2 + UV →Cl + CClF 2 Cl + O 3 → ClO + O 2 ClO + O→ Cl + O 2 O 3 + O → 2 O 2 Um único átomo de Cl é capaz de quebrar moléculas de O 3

51 Chuva ácida Formação de H 2 SO 4, HNO 3 e HCl na atmosfera. As principais fontes são: vulcões, processos biológicos e atividades antrópicas. Além da deposição como chuva, há também a deposição seca: o gas SO 2 é absorvido diretamente pela vegetação, sólidos e outras superfícies. É mais intensa próxima das fontes de emissão. A deposição ácida é prejudicial para a vida aquática, vegetação, prédios e monumentos, e para a saúde humana.


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