MO Cap. 1 — Atmosfera terrestre

1. Atmosfera terrestre

A atmosfera é a camada de gases que envolve o planeta e onde acontecem os fenômenos do tempo e do clima. Este capítulo de abertura responde a três perguntas: de que a atmosfera é feita, como ela chegou à composição atual ao longo da história do planeta e como suas propriedades mudam à medida que se sobe em direção ao espaço.

Fonte: YNOUE, Rita Yuri; REBOITA, Michelle S.; AMBRIZZI, Tércio; SILVA, Gyrlene A. M. da. Meteorologia: noções básicas. São Paulo: Oficina de Textos, 2017. Cap. 1 — Atmosfera terrestre.

Edital: Anexo 2-A, Área V (Meteorologia e Oceanografia) — base dos itens 10 (Pressão atmosférica · variação vertical), 16 (Elementos meteorológicos) e 17 (Circulação do ar: composição, estrutura vertical e camadas da atmosfera) · Anexo 2-B, Área V, item 2 (Ynoue, livro sem lista de capítulos; escopo fixado pelo 2-A).

O percurso vai da composição química do ar perto da superfície até a estrutura em camadas que aparece quando se observa o perfil vertical da temperatura. Ao final, fica claro por que a troposfera — a camada mais baixa — é a mais importante para quem estuda o tempo, e por que a estratosfera, logo acima dela, também merece atenção.

2. Composição da atmosfera

O ar seco, isto é, sem vapor d'água, tem composição quase constante perto da superfície. Cerca de 78% do volume é nitrogênio (N₂) e 21% é oxigênio (O₂). Como suas concentrações variam pouco, esses dois gases — junto com argônio, neônio, hélio, hidrogênio e xenônio — são chamados de gases permanentes.

Outros gases mudam bastante de um lugar para outro ou de um dia para outro, e por isso recebem o nome de gases variáveis. Os principais são o vapor d'água (H₂O) e o ozônio (O₃). Como têm concentrações muito pequenas, também são chamados de gases-traço.

2.1 Vapor d'água e gases de efeito estufa

O vapor d'água é um gás de grande importância. Sua concentração depende da temperatura do ar e da água disponível na superfície, por isso varia muito: chega a 4% do volume na floresta amazônica e fica abaixo de 1% em regiões frias como a Antártica. Quando passa ao estado líquido, num processo chamado condensação, formam-se pequenas gotas; quando passa direto de vapor a sólido, por ressublimação (deposição), formam-se cristais de gelo. Gotas e cristais são visíveis e tornam possível observar nuvens e nevoeiros.

Essas mudanças de fase movimentam energia. A condensação e a deposição liberam calor para o ambiente; já a evaporação e a sublimação absorvem energia. O vapor d'água também é um importante gás de efeito estufa, porque absorve parte da radiação emitida pela Terra.

O dióxido de carbono (CO₂) é um componente natural do ar, hoje com cerca de 0,03% (ou 300 ppm — partes por milhão), valor que variou ao longo da história do planeta. Também é gás de efeito estufa. Outros gases-traço com esse efeito são o metano (CH₄), o ozônio (O₃), o óxido nitroso (N₂O) e os clorofluorcarbonos (CFCs).

2.2 Ozônio e aerossóis

O ozônio aparece em dois papéis muito diferentes conforme a altura. Perto da superfície, em cidades poluídas, pode chegar a 100 ppb (partes por bilhão) e atua como poluente que irrita olhos e garganta e prejudica a vegetação. Em contraste, suas maiores concentrações estão na camada de ozônio, entre cerca de 20 km e 50 km de altura, na estratosfera, onde filtra a radiação solar e impede que o ultravioleta nocivo atinja a superfície.

Além dos gases, a atmosfera contém partículas sólidas e líquidas em suspensão — poeira, sal marinho, microrganismos, pólen e fumaça — chamadas de aerossóis ou material particulado. Elas têm papel importante no clima: podem absorver ou refletir a radiação solar e servem de núcleos de condensação para a formação de gotas de nuvem.

3. Evolução da atmosfera

A evolução da atmosfera acompanhou a do próprio planeta. A atmosfera primitiva seria formada por hidrogênio e hélio — os elementos mais abundantes do universo — além de metano e amônia. Esses gases foram varridos pelo vento solar no início da formação da Terra.

Em seguida, os gases lançados pelos vulcões foram se acumulando, tornando o nitrogênio, o vapor d'água e o dióxido de carbono os principais componentes. Conforme o planeta esfriava, parte do vapor d'água condensou-se, formando nuvens, chuva e, por fim, rios, lagos e oceanos. A chuva reduziu o vapor na atmosfera e "lavou" parte do CO₂, que se dissolve na água e ficou armazenado nos oceanos. Com menos vapor e menos CO₂, a atmosfera foi sendo enriquecida pelo nitrogênio, um gás pouco reativo.

O passo seguinte veio com a vida. O início da fotossíntese usou energia da luz para reduzir o CO₂ a glicose na presença de água, liberando oxigênio, conforme a equação:

Parte do oxigênio liberado foi inicialmente consumida na oxidação do ferro dissolvido nos oceanos. Quando começou a ser lançado na atmosfera, permitiu a formação de uma camada de ozônio, e a vida pôde sair dos oceanos para os continentes. A composição atual, em termos de gases permanentes, foi atingida há algumas centenas de milhares de anos, com oxigênio e nitrogênio sendo reciclados entre a atmosfera, a biosfera, a hidrosfera, a criosfera e a litosfera.

4. Estrutura vertical da atmosfera

Um perfil vertical revela que a atmosfera tem estrutura em camadas. Para dividi-la, usam-se três critérios: a variação da temperatura, a composição química dos gases ou as propriedades elétricas. Antes de aplicá-los, é preciso entender como a pressão e a densidade do ar mudam com a altura.

4.1 Pressão, densidade e peso do ar

A atmosfera fica presa ao planeta pela força da gravidade, isto é, pelo peso do ar. Três relações básicas ajudam a entender o que vem a seguir:

Perto da superfície as moléculas de ar estão mais comprimidas e vão ficando mais espaçadas à medida que se sobe. Por isso a maior densidade do ar está junto à superfície e diminui rapidamente nos primeiros quilômetros, depois mais lentamente. A pressão atmosférica é a força que o peso do ar exerce sobre uma área.

Em Meteorologia, a unidade usual de pressão é o hectopascal (hPa), definido como a força de 100.000 N sobre 1 m². O valor padrão ao nível médio do mar é de 1.013,25 hPa. Tradicionalmente usava-se o milibar (mb), numericamente igual ao hPa (1 mb = 1 hPa), ainda encontrado em centros operacionais. Como o número de moléculas cai com a altura, a pressão — assim como a densidade — sempre diminui à medida que se sobe.

4.2 As quatro camadas definidas pela temperatura

O perfil vertical da temperatura é mais complexo: ela ora diminui, ora aumenta com a altura. Essa alternância divide a atmosfera em quatro camadas.

Na troposfera, mais próxima da superfície, concentra-se a biosfera e ocorre a maior parte dos estudos meteorológicos. A tropopausa que a limita não tem altura fixa: quanto maior a convecção, mais alto ela é "empurrada", ficando mais elevada no equador, onde há mais radiação solar, e mais baixa nos polos. Por ser estável, a base da estratosfera é onde os aviões costumam voar.

4.3 Critérios químico e elétrico

Pela composição química, a parte baixa do ar é uniforme (78% de N₂ e 21% de O₂) e recebe o nome de homosfera. Já na termosfera as colisões entre partículas são raras, e os elementos se separam por peso — os mais pesados (N e O) na base, os mais leves (H e He) no topo. Essa região é a heterosfera.

Pelo critério das propriedades elétricas define-se a ionosfera, rica em íons e elétrons livres. Seu limite inferior fica por volta de 60 km e ela se estende até o topo da atmosfera, situando-se basicamente na termosfera; tem papel importante na propagação das ondas de rádio AM. No conjunto, a troposfera é a camada mais importante para o estudo do tempo e do clima, e, como vários fenômenos da estratosfera afetam a baixa atmosfera, essas duas camadas são as mais estudadas em Meteorologia.