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Parte 31 Camadas da atmosfera Camadas da atmosfera Variação vertical da pressão e densidade Variação vertical da pressão e densidade Variação vertical.

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1 Parte 31 Camadas da atmosfera Camadas da atmosfera Variação vertical da pressão e densidade Variação vertical da pressão e densidade Variação vertical da temperatura Variação vertical da temperatura Estabilidade Térmica da Atmosfera Estabilidade Térmica da Atmosfera Variação vertical da composição química da atmosfera Variação vertical da composição química da atmosfera

2 Parte 32 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.

3 Parte 33 Camadas Atmosféricas – Temperatura Do ponto de vista da temperatura do ar divide-se a atmosfera em 7 camadas adjacentes: 1.Troposfera 2.Tropopausa 3.Estratosfera 4.Estratopausa 5.Mesosfera 6.Mesopausa 7.Termosfera

4 Parte 34 Outras Camadas Atmosféricas 8. Exosfera 9. Endosfera 10. Homosfera 11. Turbopausa 12. Heterosfera 13. Ionosfera 14. Camada de Ozônio 15. Magnetosfera 16. Eletrosfera

5 Parte 35

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

7 Parte 37 Distribuição vertical de massa Fonte: Meteorology Today

8 Parte 38 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.

9 Parte 39 Propriedades gases – Pressão No nível do mar pressão atmosférico é igual a 1 atm

10 Parte 310 Altura da coluna de Mercúrio (Hg) e a pressão atmosférica 760 mm Mercúrio (Hg) Atmosfera Vácuo 1atm = 760 mm Hg =

11 Parte 311 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.

12 Parte 312 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 = 10 6 dinas cm -2 Era costume utilizar milibar (10 -3 bar), representado por mb, para representar pressão atmosférica. 1atm = 760 mm Hg = 1013,25 mb

13 Parte 313 Milibar (mb) e Hectopascal (hPa) 1 mb = bar = dinas cm -2 = 10 3 g cm s -2 cm -2 1 mb = kg m s m -2 = 10 2 kg m s -2 m -2 1 mb = 10 2 N m -2 =100 Pa = 1 hectopascal = 1 hPa 1atm = 760 mm Hg = 1013,25 mb = 1013,25 hPa Agora temos o hectopascal, mais condizente com o MKS

14 Parte 314 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

15 Parte 315 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.

16 Parte 316 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:

17 Parte 317 z2z2 z1z1 T(z 2 )T(z 1 ) Temperatura (T) Altura (z) Temperatura do ar versus altura

18 Parte 318 TERMOSFERA ESTRATOSFERA MESOSFERA TROPOSFERA Camadas Atmosféricas Fonte: Meteorology Today

19 Parte 319 ESTRATOSFERA TERMOSFERA MESOSFERA TROPOSFERA MESOPAUSA ESTRATOPAUSA TROPOPAUSA Camadas Atmosféricas Fonte: Meteorology Today

20 Parte 320

21 Parte 321 Extensão vertical das camadas A variação vertical da temperatura do ar determina as características do movimento vertical em cada uma das camadas.

22 Parte 322 Estabilidade Térmica T(0) Temperatura (T) Altura (z) Observação C -1km 0

23 Parte 323 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.

24 Parte 324 Vento – Sistema de Coordenadas Leste x Norte y z Altura Componente zonal Componente meridional Componente vertical

25 Parte 325 Vento típico na troposfera A componente vertical do vento (w) é muito menor do que o módulo do vento horizontal (V H ). Observa-se que em média na troposfera: V H ~ 10 m s -1 w ~ 0,01 m s -1 ~ significa da ordem de

26 Parte 326 Convenção Meteorológica Direção do vento é dada pela direção de onde o vento vem. Leste Norte Plano horizontal Vento Nordeste

27 Parte 327 Vento Sudeste Leste Norte Plano horizontal

28 Parte 328 Vento Sudoeste Leste Norte Plano horizontal

29 Parte 329 Vento Noroeste Leste Norte Plano horizontal

30 Parte 330 Convenção Meteorológica Direção do vento é também expressa em termos do ângulo formado pelo vetor vento e a direção norte. DireçãoÂngulo Nordeste 45 0 Sudeste Sudoeste Noroeste 315 0

31 Parte 331 Movimento vertical w > 0 Movimento ascendente. w < 0 Movimento descendente ( Subsidência).

32 Parte 332 Movimento vertical Superfície Altura (z) w > 0 w < 0 subsidência convecção

33 Parte 333 ESTRATOSFERA TERMOSFERA MESOSFERA TROPOSFERA Camadas Atmosféricas Fonte: Meteorology Today

34 Parte 334 Estabilidade Térmica T(0) Temperatura (T) Altura (z) Observação

35 Parte 335 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.

36 Parte 336 A Poluição atmosférica aumenta com estabilidade térmica da atmosfera

37 Parte 337 Camadas – Composição Química Heterosfera Homosfera Fonte: Meteorology Today

38 Parte 338 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.

39 Parte 339 Composição química da atmosfera A atmosfera da Terra é composta basicamente de Nitrogênio (N 2 ), cerca de 78%, e Oxigênio (O 2 ), cerca de 21% com pequenas concentrações de outros gases como: argônio (Ar), vapor de água (H 2 O) e dióxido de carbono (CO 2 ) 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.

40 Parte 340 Composição química da atmosfera

41 Parte 341 Variação da composição da atmosfera

42 Parte 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). 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. 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. 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. A atmosfera fica cada vez mais fina, consistindo somente de traços de hidrogenio e helio e ainda de argonio, neonio e criptonio.

43 Parte – 4.0 bilhoes de anos atrás : Através de fissura da crosta, volcanic outgassing lançou vastas quantias de hidrogenio (H 2 ), nitrogenio (N 2 ), água (H 2 O), monoxido de carbono (CO), dioxido de carbono(CO 2 ), amonia (NH 3 ) e metano (CH 4 ) na atmosfera. Através de fissura da crosta, volcanic outgassing lançou vastas quantias de hidrogenio (H 2 ), nitrogenio (N 2 ), água (H 2 O), monoxido de carbono (CO), dioxido de carbono(CO 2 ), amonia (NH 3 ) e metano (CH 4 ) na atmosfera. Grande parte do vapor de H 2 O condensa e forma os oceanos. Grande parte do vapor de H 2 O condensa e forma os oceanos. Como resultado dos tres processos (do próximo slide), o ar fica consistuido principalmente de N 2, CO 2 e CH 4, com traços de H 2, He, Ar, Ne, Kr, H 2 O, CO e NH 3. Como resultado dos tres processos (do próximo slide), o ar fica consistuido principalmente de N 2, CO 2 e CH 4, com traços de H 2, He, Ar, Ne, Kr, H 2 O, CO e NH 3. Sem oxigenio (O 2 )! Sem oxigenio (O 2 )! Adicional/e, como CO 2 e CH 4 são gases estufa, o clima ficou muito mais quente que o atual, mais de 10 o C. Notar que exceto pelo Oxigenio, quase toda a atmosfera da Terra vem do interior do planeta! Adicional/e, como CO 2 e CH 4 são gases estufa, o clima ficou muito mais quente que o atual, mais de 10 o C. Notar que exceto pelo Oxigenio, quase toda a atmosfera da Terra vem do interior do planeta!

44 Parte 344 Processo Equação Processo Equação Dissociação do NH 3 2NH 3 + uv N 2 + 3H 2 Conversão de parte da H 2 O e a gde parte do CO H 2 O + CO + Luz solar H 2 + CO 2 (Como H 2 O gerou os oceanos, chuva, erosão e marés - intemperismo- começaram à alterar a surperficie da terra/Terra) (Como H 2 O gerou os oceanos, chuva, erosão e marés - intemperismo- começaram à alterar a surperficie da terra/Terra) Formação de Carbonato CaO + CO 2 CaCO 3 (CO 2 absorção)MgO + CO 2 MgCO 3 ) Resumo: a maioria do H 2 e He escapou; N 2 mantevesse acumulando pois não reage com nada A H 2 O foi condensada em oceanos ou convertida; A maioria do CO foi convertido; CO 2 foi acumulado, ainda que a maioria foi absorvido pelo intemerismo (weathering); a maior parte do NH 3 dissociou-se; e CH 4 foi acumulado (sem reagir neste ponto).

45 Parte – 3.8 bilhoes de anos atrás : O vulcanismo diminui drasticamente enquanto que a formação de rochas com carbonatos aumentou, diminuindo os níveis de CO 2. O vulcanismo diminui drasticamente enquanto que a formação de rochas com carbonatos aumentou, diminuindo os níveis de CO 2. N 2 e CH 4 continuaram a se acumular. N 2 e CH 4 continuaram a se acumular. A superficie da Terra continua impropria à vida com altos níveis de metano e radiação ultravioleta solar. 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. 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. Aparecimento a primeira forma de vida bacteriana aquatica. A vida começa a despeito de uma atmosfera inóspita!

46 Parte – 2.5 bilhoes de anos atrás : Alguns organismos aquaticos desenvolvem a fotossíntese: Alguns organismos aquaticos desenvolvem a fotossíntese: Processo Equação Processo Equação 6H 2 O + 6CO 2 + sunlight C 6 H 12 O 6 + 6O 2 (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). Por 2.5 bilhões de anos, o oxigenio acumulado em um nível de 1% (volume).

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

48 Parte – 3 milhoes de anos atrás : A atividade vulcanica diminui mais ainda com dois processos (próximo slide) completam a alteração da atmosfera. 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). 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 CO 2 atinge valores de 280 ppm (mais também oscila) and muito pouco CH 4 (800 ppb), a camada protetora de ozonio se fortalece. o CO 2 atinge valores de 280 ppm (mais também oscila) and muito pouco CH 4 (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). Grande diversidade de formas de vida, a despeito de ocasionais extinções em massas (250mi e 65 mi).

49 Parte 349 ProcessoEquação ProcessoEquação Conversão do CH 4 2CH 4 + 3O 2 4H 2 O + 2CO (Isto eliminou gde parte do tóxico metano.) (Isto eliminou gde parte do tóxico metano.) Ozone produção 3O 2 + uv 2O 3 (Criando a camada de ozonio que veremos adiante) Ozone produção 3O 2 + uv 2O 3 (Criando a camada de ozonio que veremos adiante)

50 Parte 350 Evidencias da variação da concentração de O 2 Cretáceo: conc. entre 28% e 32%.

51 Parte 351 Evidencias atuais da variação do CO 2

52 Parte 352 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.

53 Parte 353 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 (6,022x10 26 moléculas).

54 Parte 354 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 ).

55 Parte 355 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

56 Parte 356 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 R d é a constante do ar seco (287 J kg -1 K -1 ).

57 Parte 357 Peso Molecular Peso molecular (M) é a massa, em quilogramas, do gás contida em um quilomol. R d é a constante do ar seco (287 J kg-1K-1). O peso molecular do ar seco (M d ) pode ser calculado a partir da relação:

58 Parte 358 Concentração dos gases atmosféricos e seus pesos moleculares

59 Parte 359 Exercício 3 Calcule o peso molecular médio da atmosfera marciana, dados Calcule o peso molecular médio da atmosfera marciana, dados Dióxido de carbono 93,5% Dióxido de carbono 93,5% Nitrogenio molecular 2,5% Nitrogenio molecular 2,5% Argonio 1,5% Argonio 1,5% Oxigenio molecular 2,5% Oxigenio molecular 2,5%

60 Parte 360 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).

61 Parte 361 Livre caminho médio Livre caminho médio é a distância média percorrida por uma molécula de gás entre dois choques consecutivos. l1l1 l3l3 l2l2 lnln

62 Parte 362 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.

63 Parte 363 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.

64 Parte 364 Homosfera 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. 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.

65 Parte 365 Heterosfera Região da atmosfera onde a composição dos gases permanentes varia com a altura.

66 Parte 366 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.

67 Parte 367 Ozônio Estratosférico

68 Parte 368 Ozônio Estratosférico e Troposférico mais detalhes adiante

69 Parte 369 Ionosfera Ionosfera Fonte: Wallace & Hobbs

70 Parte 370 Magnestosfera

71 Parte 371 Eletrosfera

72 Parte 372 Fenômenos atmosféricos da eletrosfera

73 Parte 373 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. Outras camadas da Terra

74 Parte 374 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).


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