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CADERNO DE F´ISICA DA UEFS 05 (01 e 02): 21-40, 2007
A ATMOSFERA TERRESTRE: COMPOSIC¸ ˜AO E ESTRUTURA
Anderson Alberto C. Dias Funda¸c˜ao Jos´e Carvalho; Rod BA 093 nos/n km 42, 48120-000, Pojuca, BA, Brasil
A. V. Andrade-Neto e M. S. R. Milt˜ao Departamento de F´ısica, Universidade Estadual de Feira de Santana; Avenida Transnordestina, s/n, Novo Horizonte, Campus Universit´ario, 44036-900, Feira de Santana, BA, Brasil Neste artigo pretendemos descrever de forma introdut´oria alguns aspectos importantes da atmosfera terrestre. Em particular descreveremos a sua composi¸c˜ao, os principais gases e radia¸c˜ao que a formam, bem como a sua estrutura, i.e., a sua classifica¸c˜ao em camadas espec´ıficas. Faremos tamb´em uma descri¸c˜ao do efeito estufa, fenˆomeno natural fundamental para a manuten¸c˜ao da vida no nosso planeta.
I. INTRODUC¸ ˜AO
No estudo da origem, evolu¸c˜ao e estrutura, bem como do tempo e do clima da atmosfera, a F´ısica Aplicada `a Atmosfera analisa as propriedades e caracter´ısticas dos fenˆomenos que ocorrem nas camadas atmosf´ericas, utilizando as Teorias e Leis Gerais do Campo do Saber da F´ısica, visando a descri¸c˜ao e compreens˜ao dos eventos atmosf´ericos. Em linhas gerais podemos definir os fenˆomenos atmosf´ericos como as manifesta¸c˜oes da na- tureza que ocorrem na atmosfera de um planeta e que est˜ao associadas com a origem, evolu¸c˜ao e estrutura da mat´eria e radia¸c˜ao l´a existente. Entre os processos f´ısicos que propiciam a ocorrˆencia desses fenˆomenos pode-se destacar: transferˆencia de massa e energia, movimento do ar, varia¸c˜oes de calor e umidade da atmosfera, for¸ca de Coriolis, dascargas el´etricas, varia¸c˜oes magn´eticas, manifesta¸c˜oes radiativas e ionizantes, dentre outros. Existe uma classe muito grande de fenˆomenos atmosf´ericos e entre estes fenˆomenos mais conhecidos destacam-se:
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- Hidrometeoros (chuva, forma¸c˜ao de nuvens, granizo, neve, gota de ´agua);
- Frente-frias e Frente-quentes;
- Ciclone tropical (furac˜ao);
- Ciclone extratropical;
- Ciclone subtropical;
- Tornado;
- Eletrometeoros (raio, trov˜ao).
Os fenˆomenos mais energ´eticos, que comumente ocorrem na atmosf´era s˜ao os ciclones, fura¸c˜oes e os tornados. Ciclones, tornados e fura¸c˜oes, s˜ao diferenciados, principalmente, pela energia associada a cada fenˆomeno, pela velocidade dos seus ventos, por sua dura¸c˜ao e local onde se formam. Os tornados e os ciclones sao respons´aveis por grandes preju´ızos todos os anos, principalmente nos Estados Unidos, devido ao seu grande poder de destrui¸c˜ao, al´em de causar in´umeras mortes. Apesar de acontecer com uma freq¨uˆencia bem menor que nos EUA, no Brasil h´a tamb´em ocorrˆencia de tornados, principalmente na regi˜ao Sul do pais, podendo acontecer tamb´em na regi˜ao sudeste. As investiga¸c˜oes relacionadas com tais fenˆomenos s˜ao realizadas principalmente pelas ´areas da Meteorologia, Climatologia, Eletrodinˆamica Atmosf´erica, Estrutura da Atmosfera, Radia¸c˜ao Atmosf´erica, F´ısica das Nuvens e Dinˆamica Atmosf´erica, sub-divis˜oes da F´ısica Aplicada a Atmosfera. A F´ısica Aplicadaa Atmosfera, dessa forma, desenvolve a a¸c˜ao supradisciplinar da discipli- naridade cruzada, de maneira que, em tal sub-´area, o Campo do Saber da F´ısica ´e utilizado pelas disciplinas relativas a atmosfera (Geografia, Geof´ısica, F´ısica do Oceano), atrav´es da transferˆencia de m´etodos comuns de um saber para o outro, onde apenas estas disciplinas s˜ao alteradas em seus conte´udos e n˜ao a F´ısica, com o fito de descrever os fenˆomenos atmosf´ericos.
II. ATMOSFERA TERRESTRE
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A composi¸c˜ao da atmosfera, no que tange `a mat´eria, pode variar bastante com a alti- tude. Outro fator complicador nessa determina¸c˜ao ´e que componentes materiais normalmente ausentes podem, eventualmente, ser introduzidos na atmosfera. Eles podem ter origem em processos naturais (erup¸c˜oes vulcˆanicas, por exemplo) ou ser resultantes de atividades hu- manas. Desse modo, quando falamos em composi¸c˜ao material da atmosfera nos referimos ao ar limpo e seco. Nessas condi¸c˜oes, os elementos mais importantes que comp˜oem o ar terrestre est˜ao listados na tabela 1. Vemos que o nitrogˆenio (78%) e o oxigˆenio (21%21) ocupam quase 99% do volume do ar seco e limpo. Contudo, h´a gases que, apesar de sua participa¸c˜ao rela- tiva ser muito pequena, desempenham um papel fundamental. Assim, o di´oxido de carbono, o ozˆonio e o vapor d’agua, mesmo ocorrendo em pequenas concentra¸c˜oes s˜ao fundamentais em fenˆomenos meteorol´ogicos ou mesmo para a manuten¸c˜ao da vida, conforme veremos neste trabalho.
Componente Concentra¸c˜ao por volume (porcentagem) Nitrogˆenio (N 2 ) 78, Oxigˆenio (O 2 ) 20, Argˆonio (Ar) 0, Di´oxido de Carbono (CO 2 ) 0, Neˆonio (N) 1 , 8 × 10 −^3 H´elio (He) 5 , 54 × 10 −^4 Metano (CH 4 ) 1 , 7 × 10 −^4 Criptˆonio (Kr) 1 , 0 × 10 −^4 Hidrogˆenio (H 2 ) 5 , 0 × 10 −^5 Xenˆonio (Xe) 8 , 0 × 10 −^6 Ozˆonio (O 3 ) 1 , 0 × 10 −^6 Tab. I: Composi¸c˜ao do ar limpo e seco.
Apesar de sua participa¸c˜ao percentual muito pequena, a presen¸ca de vapor de ´agua, ozˆonio e g´as carbˆonico tem um papel fundamental ao absorver a radia¸c˜ao infravermelha emitida pelo solo e, por esse fato, percebe-se que tais gases influenciam de forma contundente na temperatura da Terra controlando e ajudando a manter a m´edia da mesma. Esse fenˆomeno, denominado efeito estufa, ser´a discutido na Se¸c˜ao 4. Eles tamb´em s˜ao importantes em fenˆomenos meteorol´ogicos, o que justifica uma discuss˜ao mais detalhada sobre esses gases.
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DI OXIDO DE CARBONO (´ CO 2 ): Esse g´as, tamb´em conhecido como g´as carbˆonico, apesar de constituir apenas 0, 03% da atmosfera ´e essencial `a vida no planeta. Ele ´e um dos compo- nentes para a realiza¸c˜ao da fotoss´ıntese, que ´e o processo pelo qual as plantas transformam a energia solar em energia qu´ımica e usam essa energia para, a partir da combina¸c˜ao de di´oxido de carbono (CO 2 ), retirado do ar, e ´agua (H 2 O), retirada do solo, produzir a¸c´ucares e liberar g´as oxigˆenio (O 2 ), atrav´es da rea¸c˜ao:
6 H 2 O + 6CO 2 + hν → 6 O 2 + C 6 H 1206 ,
onde hν representa a energia da radia¸c˜ao luminosa. Outra importˆancia do g´as carbˆonico ´e que ele ´e um dos gases respons´aveis pelo efeito estufa, fenˆomeno natural imprescind´ıvel para a existˆencia da vida terrestre, pois se o mesmo n˜ao ocorresse a temperatura m´edia do planeta seria de − 18 oC, ao inv´es dos atuais +15oC. O problema ´e que o teor de g´as carbˆonico na atmosfera terrestre vem aumentando em decorrˆencia das atividades humanas, principalmente atrav´es da queima de combust´ıveis f´osseis (gasolina, diesel, carv˜ao mineral e vegetal) e de queimadas de vegeta¸c˜ao. Esse crescimento sistem´atico ´e mostrado na figura 1, com dados obtidos no observat´orio climatol´ogico de Mauna Loa, no Hava´ı. A flutua¸c˜ao anual observada na figura decorre da diferen¸ca de retirada do CO 2 pelas plantas, atrav´es da fotoss´ıntese, no ver˜ao e no inverno. No ver˜ao h´a uma maior realiza¸c˜ao de fotoss´ıntese, logo h´a uma diminui¸c˜ao no teor desse g´as na atmosfera. Lembremos que os dados referem-se ao hemisf´erio norte. VAPOR D’ AGUA: Esse ´´ e um dos gases mais vari´aveis da atmosfera pois sua quantidade depende muito das condi¸c˜oes clim´aticas locais, principalmente da disponibilidade de ´agua. Assim, nos tr´opicos ´umidos pode constituir quase 4% do volume da baixa atmosfera, enquanto sobre os desertos sua participa¸c˜ao tem valores pr´oximos de zero. Mesmo assim, ele desempenha um papel importante na preserva¸c˜ao da vida no planeta, pois sem vapor d’´agua n˜ao h´a nuvens ou chuvas. Devido `as diferen¸cas de press˜ao e temperatura, o ar ´e for¸cado a subir. O vapor d’´agua nele presente se condensa ao encontrar temperaturas mais baixas, formando as nuvens e transferindo calor para a atmosfera superior. Dessa forma, ele alimenta as chuvas e tempestades, assim como outros fenˆomenos atmosf´ericos, como tuf˜oes e os furac˜oes, cujas previs˜oes s˜ao de extrema importˆancia para a seguran¸ca do ser humano. Al´em disso, ele participa tamb´em do efeito estufa ao absorver o calor irradiado pela superf´ıcie terrestre, mantendo-a aquecida.
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De modo semelhante `a sua forma¸c˜ao, o ozˆonio tamb´em utiliza radia¸c˜ao ultravioleta decompondo-se em O 2 e O:
O 3 + hν → O + O 2. Assim, a radia¸c˜ao ultravioleta ´e absorvida tanto na forma¸c˜ao quanto na destrui¸c˜ao do ozˆonio na atmosfera. Como a radia¸c˜ao ultravioleta ´e prejudicial aos seres vivos, podendo provocar danos no ´acido desoxirribonucl´eico (DNA), no qual est˜ao contidas as informa¸c˜oes gen´eticas, vemos que a camada de ozˆonio ´e essencial para a preserva¸c˜ao da vida na Terra. Por sua vez, a composi¸c˜ao da atmosfera terrestre, no que tange `a radia¸c˜ao, tamb´em depende da altitude. Na figura 2 est˜ao expressas as componentes de radia¸c˜ao caracter´ısticas da atmosfera terrestre, de acordo com a sua altura, originadas no Sol. Vemos que v´arios componentes da radia¸c˜ao atingem a superf´ıcie do planeta.
Fig. 2: Composi¸c˜ao da radia¸c˜ao atmosf´erica terrestre advinda do Sol. Fonte: http : //prof s.ccems.pt/P auloP ortugal/CF Q/Atmosf era/ComposioAtmosf era.html
Al´em disso, a intera¸c˜ao da radia¸c˜ao com a mat´eria tamb´em ´e um fator importante para a pr´opria caracteriza¸c˜ao dos constituintes de radia¸c˜ao da atmosfera terrestre, na medida em que temos processos f´ısicos de absor¸c˜ao, reflex˜ao e refra¸c˜ao de tais componentes, conforme a figura 3. Ademais, temos elementos de radia¸c˜ao que se originam em processos naturais (como
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em erup¸c˜oes vulcˆanicas que, devido `a temperatura do magma expelido irradiam calor, por exemplo; ou oriundos de fenˆomenos eletrometeoros), bem como em atividades humanas.
Fig. 3: Esquema da radia¸c˜ao da Atmosfera terrestre. Fonte: http : //www.coladaweb.com/biologia/ef eitoestuf a (^1) arquivos/image 004 .jpg
Para uma melhor compreens˜ao da radia¸c˜ao eletromagn´etica presente na atmosfera, faremos em seguida uma breve descri¸c˜ao do espectro eletromagn´etico. A radia¸c˜ao eletromagn´etica consiste em um campo eletromagn´etico oscilante que se propaga no espa¸co^1. Podemos classificar essa radia¸c˜ao de acordo com sua freq¨uˆencia (ou seu compri- mento de onda). Em ordem decrescente de comprimento de onda temos a seguinte classifica¸c˜ao: ondas de r´adio, microondas, radia¸c˜ao infravermelha, luz vis´ıvel, radia¸c˜ao ultravioleta, raios X e radia¸c˜ao gama. A quase totalidade da energia radiante que atinge a atmosfera tem como origem, direta ou indiretamente, o Sol, o qual emite radia¸c˜ao em praticamente todo o espectro, mas em quantidades bastante diferentes para diferentes comprimentos de onda. Assim 44% de toda energia emitida pelo Sol se concentra na faixa vis´ıvel (entre 400 e 700nm). O restante ´e dividido da seguinte forma: a radia¸c˜ao ultravioleta contribui com 7%, enquanto o infravermelho pr´oximo com 37% e o infravermelho m´edio com 11%. Menos de 1% da radia¸c˜ao emitida pelo
(^1) Para uma discuss˜ao elementar sobre campo eletromagn´etico ver referˆencia 2.
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os quais possuem as seguintes caracter´ısticas: UVA - Com intervalo entre 100 e 280nm, essa radia¸c˜ao ´e completamente absorvida pelo O 2 e O 3 presentes na estratosfera, fato que ´e de grande importˆancia j´a que o UVA ´e potencialmente muito perigoso para os seres vivos. UVB - Com intervalo entre 280 e 320nm ´e fortemente absorvido pelo O 3. Essa radia¸c˜ao provoca grandes danos `a sa´ude humana e ´e a respons´avel por queimaduras e cˆancer de pele. UVC - Com intervalo entre 320 e 400nm ´e pouco absorvida na estratosfera. Ela ´e importante para a sintetiza¸c˜ao da vitamina D no organismo. Contudo, excesso de exposi¸c˜ao a essa radia¸c˜ao pode causar queimaduras al´em de, a longo prazo, provocar envelhecimento precoce. Da´ı a importˆancia de se evitar exposi¸c˜ao ao Sol entre as 10h e 16h, principalmente sem prote¸c˜ao adequada como filtro solar.
III. CLASSIFICAC¸ ˜AO DAS CAMADAS DA ATMOSFERA DE ACORDO COM A TEMPERATURA
A Temperatura da atmosfera terrestre ´e determinada, principalmente, por dois fatores: a proximidade em rela¸c˜ao ao solo e a intera¸c˜ao da radia¸c˜ao com as mol´eculas presentes na atmosfera. Observa-se que a temperatura da atmosfera varia entre camadas em diferentes altitudes sendo, portanto, um dos parˆametros de classifica¸c˜ao das pr´oprias camadas. Segundo essa classifica¸c˜ao, a atmosfera terrestre ´e constitu´ıda de cinco camadas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera, conforme a figura 4. Os contatos entre elas s˜ao ´areas de descontinuidade e possuem o sufixo “pausa”, ap´os o nome da camada subjacente. Assim, por exemplo, a tropopausa ´e a camada de transi¸c˜ao entre a troposfera e a estratofera
A. Troposfera
A troposfera ´e a primeira camada terrestre, de baixo para cima, e se estende da superf´ıcie da Terra at´e a base da estratosfera. Ela possui uma altitude m´edia de 11km (20km no equador e 8km nos p´olos) sendo a camada atmosf´erica mais delgada. Apesar disso, ela cont´em cerca de 90 por cento de toda a massa atmosf´erica
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Fig. 4: Classifica¸c˜ao das camadas da atmosfera segundo a temperatura. Fonte: http : //www.pilotf riend.com/training/f lighttraining/met/images/ 3 .gif
A temperatura da troposfera diminui com o aumento da altitude (vide figura 4). A taxa de varia¸c˜ao vertical da temperatura (gradiente t´ermico) da troposfera ´e de 6, 5 oC/km. Isso significa que, em m´edia, a temperatura decai 6, 5 oC a cada quilˆometro. Essa tendˆencia de redu¸c˜ao da temperatura ocorrer´a at´e atingir-se a tropopausa, que ´e regi˜ao onde a temperatura na troposfera ´e m´ınima (cerca de − 55 oC) e est´a localizada a uma altura m´edia em torno de 17 km no equador. Essa regi˜ao ´e denominada de “armadilha fria”, pois ´e onde o ar ascendente chega ao seu lugar limite, ou seja, ao chegar na tropopausa o ar ascendente ser´a espalhado para os lados pois n˜ao consegue ultrapass´a-la, porque nessa regi˜ao o ar ´e mais leve e mais quente, o que impede a passagem do ar ascendente para a camada superior. Isso ´e importante para a dinˆamica e a qu´ımica da troposfera, para a forma¸c˜ao das nuvens e condi¸c˜oes meteorol´ogicas. Essa ascendˆencia do ar ocorre porque o ar quente ´e mais leve do que o ar frio. Assim, quando a superf´ıcie terrestre ´e aquecida pela luz do Sol, o ar que se encontra pr´oximo `a superf´ıcie da Terra
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por esse motivo, ´e a camada mais adequada para o tr´afego ´aereo, quando comparado com a instabilidade da troposfera. Os compostos existentes na superf´ıcie terrestre (gases, vapores), n˜ao conseguem alcan¸car a estratosfera, pois eles podem ser decompostos por gases atmosf´ericos, ainda na troposfera (principalmente pelos oxidantes, OH, N O 3 , ozˆonio), eliminados pela luz solar; removidos por deposi¸c˜ao seca ou ´umida e por fim, impedidos pela tropopausa de seguir adiante o seu percurso, para a camada posterior. A varia¸c˜ao do comportamento da temperatura com o aumento da altitude, entre a troposfera e a estratosfera, provoca um estado de lentid˜ao na transferˆencia de ar entre essas duas camadas. Na troposfera, as transferˆencias verticais ocorrem entre v´arias horas at´e v´arios dias, entretanto na estratosfera a transferˆencia das misturas de elementos ocorrem num prazo que vai de meses a anos. A primeira conseq¨uˆencia ´e que o teor em vapor de ´agua na estratosfera ´e muito baixo. As propor¸c˜oes de misturas t´ıpicas entre essas duas camadas s˜ao drasticamente desiguais. En- quanto que na estratosfera, essas misturas s˜ao encontradas em ordem de 2 a 6 ppm (partes por milh˜ao), na baixa troposfera essa quantidade se eleva a uma ordem de 1.000 a 40.000 ppm e na alta troposfera a 100 ppm. Dessa forma, ´e quase imposs´ıvel a forma¸c˜ao de nuvens, impli- cando necessariamente numa queda significativa de temperatura para que os cristais de gelo se formem. Essas condi¸c˜oes s˜ao encontradas nas regi˜oes polares, onde podem ocorrer a existˆencia de nuvens estratosf´ericas de gelo. A forma¸c˜ao das nuvens estratosf´ericas polares ´e provocada pelo esfriamento da atmosfera superior e pelo aquecimento da superf´ıcie terrestre, conseq¨uˆencia do efeito estufa. Conforme j´a dito, ´e na estratosfera que est´a localizada a camada de ozˆonio, que se estende entre 25 e 50 km. O ozˆonio (O 3 ) ´e o principal respons´avel pelo aquecimento da estratosfera, pois absorve os raios ultravioletas atrav´es de rea¸c˜oes fotoqu´ımicas, impedindo a passagem das radia¸c˜oes nocivas e, com isso, contribuindo para o crescimento da temperatura na camada. O ozˆonio desempenhando esse papel torna-se um verdadeiro filtro solar da Terra, permitindo a vida no nosso planeta. Essa mol´ecula est´a constantemente em forma¸c˜ao, por´em, tamb´em em constante decomposi¸c˜ao. Surpreendentemente, a radia¸c˜ao ultravioleta que ele absorve vinda do Sol, ´e de extrema importˆancia para a sua constru¸c˜ao, pois essa mesma radia¸c˜ao decomp˜oe o g´as oxigˆenio (O 2 ), liberando assim dois exemplares de oxigˆenio monoatˆomico, que depois ir´a se combinar
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com outras mol´eculas de oxigˆenio, concebendo assim a nova mol´ecula de ozˆonio, conforme vimos na subse¸c˜ao 2.1. Devido ao seu papel fundamental na garantia de existˆencia na vida terrestre, a sua destrui¸c˜ao ´e considerada como um dos maiores problemas ambientais deste s´eculo. Mas, como se d´a a destrui¸c˜ao da camada de ozˆonio? Na d´ecada de 1970 os cientistas americanos Mario Molina e F. Rowland aventaram a hip´otese de que o cloro (Cl), originado de compostos clorofluorcarbonetos (CF C′s), poderia destruir o ozˆonio presente na estratosfera. Os CF C′s s˜ao substˆancias derivadas dos hidrocarbonetos nos quais ´atomos de hidrogˆenio s˜ao substitu´ıdos por ´atomos de cloro e fl´uor. Eles s˜ao gases muito utilizados em substˆancias refrigerantes em geladeiras e condicionadores de ar bem como propelentes em aeross´ois. Os CF C′s s˜ao compostos muito est´aveis, logo o seu tempo m´edio de residˆencia na atmosfera ´e bastante longo, cerca de 70 anos. Esse tempo ´e suficiente para que eles alcancem a estratosfera onde s˜ao decompostos pela radia¸c˜ao ultravioleta, como segue:
CF Cl 3 + hν → CF Cl 2 + Cl. (1)
A decomposi¸c˜ao dos CFC’s, (nesse exemplo um triclorofluorometano CF Cl 3 ) ´e um processo de heter´olise (quebra assim´etrica, por fot´olise, de uma liga¸c˜ao covalente) que libera um ´atomo de cloro (Cl), com um el´etron livre, e um diclorofluorometano excitado (ionizado) (CF Cl 2 ). Como resultado dessa decomposi¸c˜ao, onde s˜ao formados radicais livres como o cloro, tem-se rea¸c˜oes com o ozˆonio destruindo-o atrav´es das seguintes etapas de rea¸c˜oes:
Cl + O 3 → ClO + O 2. (2)
O mon´oxido de cloro, ClO, formado na rea¸c˜ao acima, reage com um ´atomo livre de oxigˆenio (O) formando O 2 e liberando um ´atomo livre de cloro (Cl):
ClO + O → Cl + O 2 , (3)
que por sua vez pode voltar a reagir com o ozˆonio, como na rea¸c˜ao (2).
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croondas, r´adio e radia¸c˜ao ultravioleta. Podemos notar na figura 5 que a camada de ozˆonio absorve por completo a radia¸c˜ao UVC, impedindo a sua passagem para a estratosfera al´em de absorver de forma parcial a radia¸c˜ao UVB.
C. Mesosfera
A mesosfera ´e, dentre todas as camadas, a que apresenta as mais baixas temperaturas as quais podem chegar a valores menores que 100oC negativos. A partir dos 50km de altura, onde est´a localizada a estratopausa, a temperatura volta a ter o comportamento da troposfera, ou seja, a temperatura diminui com o aumento da altitude (figura 4). A parte da base inferior ´e a mais quente da mesosfera, pois absorve calor da camada cont´ıgua inferior (a estratosfera). Assim, o decl´ınio da temperatura com o aumento da altitude nessa camada ocorre devido a baixa concentra¸c˜ao de mol´eculas e da redu¸c˜ao do calor advindo da camada de ozˆonio da estratosfera. Contudo, mesmo com a baixa concentra¸c˜ao, as mol´eculas dessa camada oferecem resistˆencia suficiente aos objetos que entram na atmosfera, atra´ıdos pela for¸ca gravitacional terrestre. As chamadas “estrelas cadentes” s˜ao objetos que, quando penetram na atmosfera terrestre, colidem com as mol´eculas de ar presentes na mesosfera. Essas colis˜oes em altas velocidades acarretam na libera¸c˜ao de calor que incendeiam esses materiais. O calor gerado pela resistˆencia do ar em diversas rochas vindas do espa¸co que colidem com a Terra faz com que os objetos sejam incendiados e dˆeem origemas estrelas cadentes. Esses fenˆomenos s˜ao chamados de meteoros e as rochas de meteor´oides. A radia¸c˜ao na mesosfera (vide figura 2) encontra-se na faixa da luz vis´ıvel, infravermelha, microondas, ultravioleta (os trˆes tipos) (vide figura 5).
D. Termosfera
Ap´os a mesopausa, mas sem limite superior definido, est´a a termosfera. Sua temperatura ´e inicialmente constante mas depois cresce de forma r´apida com a altitude. Esse aumento se deve `a absor¸c˜ao de radia¸c˜ao de ondas curtas (λ ∼ 200 nm) por elementos iˆonicos e atˆomicos,
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e a temperatuira chega a cerca de 1200oC. Contudo, o n´umero de mol´eculas nessa camada ´e t˜ao reduzido que o conceito de temperatura fica quase sem sentido. Lembremos que, na interpreta¸c˜ao molecular de um g´as, temperaturas s˜ao definidas em termos da velocidade m´edia das mol´eculas. Na verdade, em termos da velocidade m´edia quadr´atica que ´e a raiz quadrada da velocidade quadr´atica m´edia, temos
vmq =
v^2 =
3 RT
M ,
onde R ´e a constante universal dos gases, M ´e a massa molecular em Kg por mol e T ´e a temperatura absoluta. Como as mol´eculas dos gases da termosfera se movem com velocidades altas, a temperatura ´e alta. Contudo, como a densidade ´e muito pequena, poucas mol´eculas colidem com um corpo estranho; logo muito pouca energia ´e transferida. Assim, a temperatura de um corpo nessa regi˜ao ´e definida mais pela quantidade de radia¸c˜ao absorvida do que pela temperatura do ar. Alguns autores dividem essa camada em duas: ionosfera e exosfera. A radia¸c˜ao eletromagn´etica existente na mesosfera (vide figura 2) encontra-se nas faixas de toda a luz visivel, infravermelha, microondas, raios x e ultravioleta (os trˆes tipos) (vide figura 5).
- Ionosfera
A ionosfera ´e a parte inferior da termosfera e extende-se de 89 a 550km. Nessa regi˜ao h´a uma grande absor¸c˜ao de radia¸c˜ao de ondas curtas (ultravioletas e raios x) o que leva a ioniza¸c˜ao dos elementos a´ı presentes e, assim, el´etrons livres tamb´em, o que leva a cria¸c˜ao do plasma ionosf´erico. Esse plasma pode refletir ondas de r´adio utilizadas em radiodifus˜ao.
- Exosfera
E a parte superior da termosfera.^ ´ Ela estende-se a partir de aproximadamente 550km. Devido a essa grande altitude, o ar se torna extremamente rarefeito de maneira que colis˜oes
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densa nas altitudes menores, ser´a nessa regi˜ao que acontecer´a maior absor¸c˜ao da radia¸c˜ao infravermelha emitida pela Terra. Isso explica o comportamento t´ermico da troposfera, que apresenta um decr´escimo da temperatura com o aumento da altitude. Esses processos, que s˜ao caracter´ısticos do Planeta Terra, propiciam a configura¸c˜ao dos componentes de radia¸c˜ao que s˜ao pr´oprios da atmosfera terrestre. Os principais gases de efeito estufa s˜ao o vapor d’agua e o g´as carbˆonico. O vapor d’agua, sozinho ´e respons´avel por 85 por cento do efeito estufa natural. Outros gases de efeito estufa s˜ao o di´oxido de carbono (CO 2 ), o metano (CH 4 ), o ´oxido nitroso (N 2 0) e os clorofluorcarbonetos (CFCs). Um dos grandes problemas atuais da humanidade ´e que a quantidade desses gases na at- mosfera vem aumentando devido a atividades antr´opicas, o que pode provocar um aumento do efeito estufa e, conseq¨uentemente, um aquecimento do planeta cujas conseq¨uˆencias podem ser tr´agicas.
V. CONCLUS ˜OES
A atmosfera ´e um sistema extremamente complexo onde ocorrem simultaneamente v´arios processos f´ısicos e qu´ımicos que s˜ao fundamentais para a vida na Terra, que existe gra¸cas a um delicado equil´ıbrio de processos que acontecem no nosso planeta. Do estudo dos componentes que formam a atmosfera e da sua intera¸c˜ao com a superf´ıcie terrestre (crosta e oceanos), verifica-se que a atmosfera cont´em os elementos essenciais para a manuten¸c˜ao da vida. Assim, por exemplo, o oxigˆenio ´e essencial na respira¸c˜ao animal e vegetal. O carbono, presente na atmosfera sob a forma de CO 2 , ´e incorporado aos seres vivos e a cadeia alimentar atrav´es da fotoss´ıntese. Al´em disso, temos componentes da radia¸c˜ao, como a luz vis´ıvel que participam desses processos vitais. Outro papel, n˜ao menos fundamental, desempenhado pelo processos f´ısicos da atmosfera ´e o de filtrar radia¸c˜oes nocivasa vida bem como servir de manto t´ermico, atrav´es do efeito estufa, da Terra, o que garante uma amena temperatura m´edia de 15oC ao nosso planeta.
[1] Meteorologia B´asica. Notas de Aulas. Dispon´ıvel em http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/. [2] A.V. Andrade-Neto, Caderno de F´ısica da UEFS 04 , 23 (2006).
Anderson Alberto C. Dias et alli CADERNO DE F´ISICA DA UEFS 05 , (01 e 02): 21-40, 2007
[3] Goody, Richard M. and Walker, J. C. G. Atmosferas Planet´arias. Editora Edgar Bl¨ucher, (1975). [4] Tolentino, Mario; Rocha-Filho, Romeu C. e da Silva, Roberto Ribeiro. O azul do planeta. Um Retrato da Atmosfera. Editora Edgar Bl¨ucher, (1975).
SOBRE OS AUTORES -
Anderson Alberto C. Dias - Licenciando em F´ısica pela UEFS, ´e Professor da Funda¸c˜ao Jos´e Carvalho. e-mail: alberttodias@yahoo.com.br
Antˆonio Vieira de Andrade-Neto - Doutor em F´ısica pela UNICAMP, ´e Professor Adjunto do Departamento de F´ısica da UEFS. e-mail: aneto@uefs.br
Milton Souza Ribeiro Milt˜ao - Doutor em F´ısica pela UFRJ e Especialista em Educa¸c˜ao pela UFBA, ´e Professor Adjunto do Departamento de F´ısica da UEFS. e-mail: miltaaao@ig.com.br
