Estrutura e composição

Apresentação em tema: "Estrutura e composição"— Transcrição da apresentação:

1 Estrutura e composição
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 Estrutura da atmosfera
2. Movimentação das massas de ar 3. Composição da atmosfera Balanço energético 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: N2, O2, O3, NO2 e os particulados. Com base na temperatura, a atmosfera é dividida em camadas. -80oC 0oC -60oC

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

11 Troposfera Vai de 0 a 10-15 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 oC /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 (-60oC a 0oC).
Nos 2/3 superiores (24-48 km): escudo de O3 (concentração de alguns ppm, enquanto que na troposfera a concentração é de 0-0,07 ppm). A temperatura cresce porque o O3 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) Célula de Hadley Fonte:

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) CO2 95.5% 0.033% 95.3% N2 3.5% 78.0% 2.7% H2O 30-200ppm 3% 100ppm He 12ppm 5.2ppm Ne 7ppm 18.2ppm 2.5ppm Ar 70ppm 9340ppm 16000ppm Kr 0.05ppm 1.14ppm 0.03ppm Xe 0.04ppm 0.087ppm 0.08ppm

26 Comparações com a atmosfera da Terra
Marte tem uma atmosfera tênue (P = 1/100 atm) composta principalmente de CO2. Vênus tem uma atmosfera densa (P = 100 atm), composta principalmente de CO2. Planetas gigantes têm atmosferas muito densas, formadas por de H2, He e CH4.

27 Nitrogênio 5o 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 N2; alternativamente reduzem o NH4+ a N2). Sumidouro: fixação biológica (bactérias oxidam/fixam o N2 em NH4+).

28 O ciclo do nitrogênio na atmosfera
Fixação do nitrogênio 2N2 + 6H2O → 4NH3 + 3O2 (Rhizobium) 4NH3 + H2O → NH4+ + OH- Nitrificação 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 2H2O + 4H+(Nitrosomonas) 2NO2- + O2 → 2NO3- (Nitrobacter) Denitrificação 4NO3- + 2H2O → 2N2 + 5O2 + 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*1018 mol O2 pelo fluxo 8,7*1015 mol O2 /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 40Ar em relação aos demais gases nobres. Fonte: decaimento do 40K.

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 CH2O + O2 → CO2 + H2O Sumidouro: fotossíntese CO2 + H2O → CH2O + O2

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. CH4 produzido pela Archaea, simbioticamente cooperando com plantas e animais. Tem meia vida de 12 anos e é destruído por oxidação: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Xe, Kr, Rn incorporados na origem da atmosfera. H2O: TR 10 dias. Quanto maior a temperatura, mais H2O a atmosfera pode conter. O3: formado e destruído na estratosfera (entre 24 e 48 km de altitude).

34 O3 na troposfera: 0-0,07 ppm; O3 na estratosfera: 10 ppm

35 Resumo: principais reações na troposfera
Fotossíntese e respiração CO2 + H2O → CH2O + O2 CH2O + O2 → CO2 + H2O Fixação de nitrogênio e denitrificação 2N2 + 6H2O → 4NH3 + 3O2 NH3 + H2O → NH4+ NH4+ → NO2- ou NO3- 4NO3- + 2H2O → 2N2 + 5O2 + 4 OH-

36 Resumo: principal reação na estratosfera
Formação e destruição do ozônio O2 → O + O O + O2 → O3 O3 → O2 + O O3 + O → 2 O2

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/m2 Equilíbrio térmico: E incidente = E refletida Sol é corpo quente e Terra é corpo frio

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40 Balanço energético Terra fria 14oC Sol quente 6000oC Emite calor
Emite luz Radiação de comprimento de onda curto 0,3 a 2,0 micra Gaps da radiação incidente: O3, CO2, H2O, etc. Chega à superfície 49% Terra fria 14oC Emite calor Radiação de comprimento de onda longo 5 a 50 micra Absorvedores da radiação: H2O, CO2, 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 CO2, H2O, CH4, CFC, etc. Se não houvesse o efeito estufa, com o albedo de 30%, a temperatura da Terra seria de -18oC

44 Balanço energético σ Te4 = S/4 * (1-A) σ = 5,67. 10-8 W/m2/K4
Te é a temperatura efetiva do planeta S = fluxo solar no topo da atmosfera = 1365 W/m2 A = albedo = 30 % Te = - 18º C

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46 Mas a temperatura média observada na Terra é de 15oC
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 oC. 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
CO2 (392 ppm -2012): queima de combustíveis fósseis e fabricação de cimento. CO (0,1 ppm): combustão incompleta. SO2: aerossóis: atividade industrial e queima do carvão. NO2 e NO: combustão de óleo e carvão. O3 (20 a 50 ppb): catalisadores. CFC: refrigeração.

50 Depleção na camada de ozônio
Antártica em setembro de 1987 O3 ppm Cl + O3 → ClO + O2 ClO + O→ Cl + O2 O3 + O → 2 O2 CF2Cl2 + UV →Cl + CClF2 Um único átomo de Cl é capaz de quebrar moléculas de O3

51 Chuva ácida Formação de H2SO4, HNO3 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 SO2 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.