Parte 3 Camadas da atmosfera Variação vertical da pressão e densidade

Apresentação em tema: "Parte 3 Camadas da atmosfera Variação vertical da pressão e densidade"— Transcrição da apresentação:

1 Parte 3 Camadas da atmosfera Variação vertical da pressão e densidade
Variação vertical da temperatura Estabilidade Térmica da Atmosfera Variação vertical da composição química da atmosfera Parte 3

2 Camadas Atmosféricas As propriedades físicas e químicas da atmosfera (objeto da Ciências Atmosféricas) podem ser caracterizadas considerando-se a atmosfera como um conjunto de camadas adjacentes e superpostas. Parte 3

3 Camadas Atmosféricas – Temperatura
Do ponto de vista da temperatura do ar divide-se a atmosfera em 7 camadas adjacentes: Troposfera Tropopausa Estratosfera Estratopausa Mesosfera Mesopausa Termosfera Parte 3

4 Outras Camadas Atmosféricas
Exosfera Endosfera Homosfera Turbopausa Heterosfera Ionosfera Camada de Ozônio Magnetosfera Eletrosfera Parte 3

5 Parte 3

6 Densidade do ar Densidade do ar é definida com a quantidade de massa (m) do ar por unidade de volume (V). No nível do mar a densidade do ar é igual a 1 kg m-3.  é também conhecida como densidade absoluta. Parte 3

7 Distribuição vertical de massa
Fonte: Meteorology Today Parte 3

8 Variação vertical de densidade
Apesar de não existir um limite superior, a atmosfera estende-se a centenas de quilômetros na vertical, sendo que cerca de 99% da toda a sua massa está contida nos primeiros 30 km. Parte 3

9 Propriedades gases – Pressão
No nível do mar pressão atmosférico é igual a 1 atm Parte 3

10 Altura da coluna de Mercúrio (Hg) e a pressão atmosférica
760 mm Mercúrio (Hg) Atmosfera Vácuo 1atm = 760 mm Hg = Parte 3

11 Pressão Atmosférica na Superfície
A pressão atmosférica na superfície representa a força por unidade de área exercida pela atmosfera na superfície. É expressa em termos da altura da coluna de mercúrio. No nível do mar esta altura é equivalente a 760 mm Hg. Parte 3

12 Sistema de Unidades usadas em Meteorologia
Em meteorologia utiliza-se o sistema de unidades CGS (centímetro, grama, segundos) para expressar pressão denominado bar. 1 bar = 106 dinas cm-2 Era costume utilizar milibar (10-3 bar), representado por mb, para representar pressão atmosférica. 1atm = 760 mm Hg = 1013,25 mb Parte 3

13 Milibar (mb) e Hectopascal (hPa)
1 mb = 10-3 bar = dinas cm-2 = 103 g cm s-2 cm-2 1 mb = kg 10-2 m s m-2 = 102 kg m s-2 m-2 1 mb = 102 N m -2 =100 Pa = 1 hectopascal = 1 hPa Agora temos o hectopascal, mais condizente com o MKS 1atm = 760 mm Hg = 1013,25 mb = 1013,25 hPa Parte 3

14 Distribuição vertical de pressão atmosférica e massa
99% da massa da atmosfera está localizada abaixo de 10 mb. 50% da massa da atmosfera está localizada abaixo de 500 mb. Fonte: Meteorology Today Parte 3

15 Estrutura Térmica da Atmosfera
Do ponto de vista da estrutura vertical da temperatura a atmosfera pode ser dividida em quatro camadas: Troposfera; Estratosfera; Mesosfera; Termosfera. Parte 3

16 Taxa de variação vertical de temperatura (“lapse rate”)
Estas camadas se caracterizam através da taxa de variação vertical de temperatura do ar (“lapse rate”) definida como: Parte 3

17 Temperatura do ar versus altura
Altura (z) z2 z1 Temperatura (T) T(z2) T(z1) Parte 3

18 Camadas Atmosféricas TERMOSFERA MESOSFERA ESTRATOSFERA TROPOSFERA
Parte 3 Fonte: Meteorology Today

19 Camadas Atmosféricas TERMOSFERA MESOPAUSA MESOSFERA ESTRATOPAUSA
TROPOSFERA MESOPAUSA ESTRATOPAUSA TROPOPAUSA ESTRATOSFERA Parte 3 Fonte: Meteorology Today

20 Parte 3

21 Extensão vertical das camadas
A variação vertical da temperatura do ar determina as características do movimento vertical em cada uma das camadas. Parte 3

22 Estabilidade Térmica Altura (z) Observação -1km Temperatura (T) -100C
-100C T(0) Parte 3

23 Camada é estável Os movimentos verticais são restringidos.
É o que ocorre na troposfera e na mesosfera. Apesar da restrição existe movimento vertical ascendente e formação de nuvens nestas duas camadas. Parte 3

24 Vento – Sistema de Coordenadas
Altura z Norte Componente meridional y Componente vertical Leste x Componente zonal Parte 3

25 Vento típico na troposfera
A componente vertical do vento (w) é muito menor do que o módulo do vento horizontal (VH). Observa-se que em média na troposfera: VH ~ 10 m s-1 w ~ 0,01 m s-1 ~ significa “da ordem de” Parte 3

26 Convenção Meteorológica
Direção do vento é dada pela direção de onde o vento vem. Leste Norte Plano horizontal Vento Nordeste Parte 3

27 Vento Sudeste Leste Norte Plano horizontal Parte 3

28 Vento Sudoeste Leste Norte Plano horizontal Parte 3

29 Vento Noroeste Leste Norte Plano horizontal Parte 3

30 Convenção Meteorológica
Direção do vento é também expressa em termos do ângulo formado pelo vetor vento e a direção norte. Direção Ângulo Nordeste 450 Sudeste 1350 Sudoeste 2250 Noroeste 3150 Parte 3

31 Movimento vertical w > 0 → Movimento ascendente.
w < 0 → Movimento descendente ( Subsidência). Parte 3

32 Movimento vertical Altura (z) subsidência convecção w < 0 w > 0
Superfície Altura (z) w > 0 w < 0 subsidência convecção Parte 3

33 Camadas Atmosféricas TERMOSFERA MESOSFERA ESTRATOSFERA TROPOSFERA
Parte 3 Fonte: Meteorology Today

34 Estabilidade Térmica Altura (z) Observação Temperatura (T) T(0)
Parte 3

35 Camada é MUITO estável Os movimentos verticais são FORTEMENTE restringidos. É o que ocorre na estratosfera e mesosfera (ou muito próximas ao solo em noites de inverno). A restrição ao movimento vertical ascendente impede totalmente a formação de nuvens nestas duas camadas. Parte 3

36 A Poluição atmosférica aumenta com estabilidade térmica da atmosfera
Parte 3

37 Camadas – Composição Química
Heterosfera Homosfera Parte 3 Fonte: Meteorology Today

38 Gases Permanentes e variáveis
A atmosfera é uma mistura de gases permanentes e variáveis. A composição dos gases permanentes permanece constante até 100 km – na homosfera. Acima da homosfera, onde a composição dos gases permanentes varia, tem-se heterosfera. Parte 3

39 Composição química da atmosfera
A atmosfera da Terra é composta basicamente de Nitrogênio (N2), cerca de 78%, e Oxigênio (O2), cerca de 21% com pequenas concentrações de outros gases como: argônio (Ar), vapor de água (H2O) e dióxido de carbono (CO2) perfazendo menos de 1% do total. Além dos gases, a atmosfera contém partículas sólidas e líquidas em suspensão denominadas aerossóis (em inglês “aerosol”). Aerossol é outra denominação para material particulado. As nuvens são compostas de gotículas de água e /ou cristais de gelo . Parte 3

40 Composição química da atmosfera
Parte 3

41 Variação da composição da atmosfera
Parte 3

42 4.7– 4.3 bilhoes de anos atrás :
A proto-Terra era formada basicamente de silicio,ferro, niquel e seus oxidos), com uma fina atmosfera primordial de hidrogenio e helio (e traços de argonio, neonio e criptonio). 4.7– 4.3 bilhoes de anos atrás : O planeta forma uma densa bola compactada com núcleo fundido de ferro e níquel devido à pressão e altos níveis de radioatividade. Grande parte do hidrogenio e helio “escapa” para o espaço sideral ou é removido pelo vento solar. A atmosfera fica cada vez mais fina, consistindo somente de traços de hidrogenio e helio e ainda de argonio, neonio e criptonio. Parte 3

43 4.3– 4.0 bilhoes de anos atrás :
Através de fissura da crosta, “volcanic outgassing” lançou vastas quantias de hidrogenio (H2), nitrogenio (N2), água (H2O), monoxido de carbono (CO), dioxido de carbono(CO2), amonia (NH3) e metano (CH4) na atmosfera. Grande parte do vapor de H2O condensa e forma os oceanos. Como resultado dos tres processos (do próximo slide), o ar fica consistuido principalmente de N2, CO2 e CH4, com traços de H2, He, Ar, Ne, Kr, H2O, CO e NH3. Sem oxigenio (O2)! Adicional/e, como CO2 e CH4 são gases ‘estufa’, o clima ficou muito mais quente que o atual, mais de 10oC. Notar que exceto pelo Oxigenio, quase toda a atmosfera da Terra vem do interior do planeta! Parte 3

44 Dissociação do NH3 2NH3 + uv  N2 + 3H2
Processo “Equação” Dissociação do NH NH3 + uv  N2 + 3H2 Conversão de parte da H2O e a gde parte do CO H2O + CO + Luz solar  H2 + CO2 (Como H2O gerou os oceanos, chuva, erosão e marés -intemperismo- começaram à alterar a surperficie da terra/Terra) Formação de Carbonato CaO + CO2  CaCO3 (CO2 absorção) MgO + CO2  MgCO3) Resumo: a maioria do H2 e He escapou; N2 mantevesse acumulando pois não reage com nada A H2O foi condensada em oceanos ou convertida; A maioria do CO foi convertido; CO2 foi acumulado, ainda que a maioria foi absorvido pelo intemerismo (“weathering”); a maior parte do NH3 dissociou-se; e CH4 foi acumulado (sem reagir neste ponto). Parte 3

45 4.0– 3.8 bilhoes de anos atrás :
O vulcanismo diminui drasticamente enquanto que a formação de rochas com carbonatos aumentou, diminuindo os níveis de CO2. N2 e CH4 continuaram a se acumular. A superficie da Terra continua impropria à vida com altos níveis de metano e radiação ultravioleta solar. Entretanto, a combinação deste UV, raios, radioatividade e bombardeamento de meteoritos, complexas moléculas organicas (proteinas, amino- acidos, e talvez o DNA) são criadas. Aparecimento a primeira forma de vida bacteriana aquatica. A vida começa a despeito de uma atmosfera inóspita! Parte 3

46 3.8– 2.5 bilhoes de anos atrás :
Alguns organismos aquaticos desenvolvem a “fotossíntese”: Processo “Equação” 6H2O + 6CO2 + sunlight  C6H12O6 + 6O2 (forma a glicose, começa a liberação de oxigenio na atmosfera terrestre!) Por 2.5 bilhões de anos, o oxigenio acumulado em um nível de 1% (volume). Parte 3

47 2.5 bilhoes de anos atrás – 600 milhoes de anos atrás :
Devagar mas constante/e, o processo evolucionário e a fotossíntese continua. Organismos multicelulares aparecem na explosão cambriana (500 mi). O oxigenio continua a se acumular alcaçando cerca de 10% do volume. Vida for a da água (oceanos) ainda não é possível devido ao UV e elevados níveis de metano. Parte 3

48 600– 3 milhoes de anos atrás :
A atividade vulcanica diminui mais ainda com dois processos (próximo slide) completam a alteração da atmosfera. Entre 450 mi e 350 mi de anos atrás, plantas terrestres e anfibios começam a aparecer, e o oxigenio aproxima-se dos valores atuais,mas com oscilações (ver slide para frente). o CO2 atinge valores de 280 ppm (mais também oscila) and muito pouco CH4 (800 ppb), a camada protetora de ozonio se fortalece. Grande diversidade de formas de vida, a despeito de ocasionais extinções em massas (250mi e 65 mi). Parte 3

49 Processo “Equação” Conversão do CH4 2CH4 + 3O2  4H2O + 2CO
(Isto eliminou gde parte do tóxico metano.) Ozone produção O2 + uv  2O3 (Criando a “camada de ozonio” que veremos adiante) Parte 3

50 Evidencias da variação da concentração de O2
Cretáceo: conc. entre 28% e 32%. Parte 3

51 Evidencias atuais da variação do CO2
Parte 3

52 Lei dos gás ideal Um gás é considerado ideal quando a sua pressão (p), temperatura (T), volume (V) e a massa (m) obedecem a seguinte relação: R é a constante do gás. Parte 3

53 Princípio de Avogadro Princípio de Avogadro: dois volumes (V) iguais de gases nas mesmas condições de temperatura (T) e pressão (p) contêm o mesmo número de moléculas. Número de Avogadro é o número de moléculas contidas em um quilomol (kmol) de gás (6,022x1026 moléculas). Parte 3

54 Lei do gás ideal Existem outras formas equivalentes de expressar a lei do gás ideal. Considerando n como o número moles de gás contido em uma quantidade de massa de ar m: R* é a constante do gás ideal (8314 J kmol-1 K-1 ). Parte 3

55 Atmosfera é um gás ideal
As observações indicam que a atmosfera é composta por uma mistura de gases satisfazem a lei do gás ideal. A lei do gás ideal é também conhecida com equação de estado de um gás. O que é um gás ideal: pergunta Parte 3

56 Equação de estado para a Atmosfera
No caso da atmosfera a equação de estado assume a seguinte forma: ρ é a densidade do ar, T a temperatura dada em Kelvin Rd é a constante do ar seco (287 J kg-1K-1). Parte 3

57 Rd é a constante do ar seco (287 J kg-1K-1).
Peso Molecular Peso molecular (M) é a massa, em quilogramas, do gás contida em um quilomol. O peso molecular do ar seco (Md) pode ser calculado a partir da relação: Rd é a constante do ar seco (287 J kg-1K-1). Parte 3

58 Concentração dos gases atmosféricos e seus pesos moleculares
Parte 3

59 Exercício 3 Calcule o peso molecular médio da atmosfera marciana, dados Dióxido de carbono 93,5% Nitrogenio molecular 2,5% Argonio 1,5% Oxigenio molecular 2,5% Parte 3

60 Livre caminho médio Distribuição vertical de pressão (mb; ---), densidade (g.m-3; ___ ) e livre caminho médio (m; _._) da moléculas de ar na atmosfera da Terra. (Fonte: Atmospheric Science, Wallace e Hobbs). Parte 3

61 Livre caminho médio Livre caminho médio é a distância média percorrida por uma molécula de gás entre dois choques consecutivos. l1 l3 l2 ln Parte 3

62 Difusão Molecular Difusão molecular é o transporte espacial de uma propriedade resultante do movimento aleatório das moléculas de um gás. A difusão molecular é um processo que produz uma atmosfera na qual o peso molecular da mistura de gases diminui com a altura. Parte 3

63 Mistura devido ao movimento macroscópico do ar
Mistura causada pelo movimento macroscópico do ar não discrimina as moléculas pelo peso molecular, produzindo uma atmosfera onde a composição independe da altura. Mistura turbulenta. Parte 3

64 Homosfera A atmosfera é uma mistura de gases permanentes e variáveis.
A composição dos gases permanentes permanece constante até 100 km – na homosfera. Acima da homosfera, onde a composição dos gases permanentes varia, tem-se heterosfera. Na heterosfera, o livre caminho médio das moléculas é muito maior (>> 0,1 m) e o processo de difusão molecular determina a mistura dos gases atmosféricos. Parte 3

65 Heterosfera Região da atmosfera onde a composição dos gases permanentes varia com a altura. Parte 3

66 Camada de Ozônio A região da estratosfera onde está localizado ozônio é denominada de camada de ozônio. Esta camada encontra-se na região entre 20 e 30 km da superfície e é onde o ozônio atinge concentrações da ordem de 12 ppm. CFC interferem nesta formação como veremos adiante. Parte 3

67 Ozônio Estratosférico
Parte 3

68 Ozônio Estratosférico e Troposférico mais detalhes adiante
Parte 3

69 Ionosfera Fonte: Wallace & Hobbs Parte 3

70 Magnestosfera Parte 3

71 Eletrosfera Parte 3

72 Fenômenos atmosféricos da eletrosfera
Parte 3

73 Outras camadas da Terra
Litosfera: representa a porção sólida da Terra. Camada sólida exterior da Terra constituída da crosta e parte superior do manto. Biosfera: representa toda a área da superfície da Terra, atmosfera e do mar que é habitada por seres vivos. Também chamada de ecosfera. Biota: representa todos os organismos vivos em uma determinada área - quantidade total de animais e plantas em uma área em particular. Hidrosfera: região da superfície da Terra composta por água, incluindo os mares e a água contida nos oceanos. Parte 3

74 Outras camadas da Terra
Criosfera: representa a parte congelada da superfície da Terra, ela inclui as calotas polares, camadas de gelo continentais, geleiras, gelo do oceano e a “permafrost” (solo congelado). Parte 3