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A Atmosfera

Meteorologia e Clima > Meteorologia
Atmosphere from space
Meteorologia, o estudo do tempo e do clima, é uma jovem ciência. Os metereologistas "sentem" a atmosfera como nínguem. Utilizando apenas seus olhos e seus cérebros, muitas descobertas foram realizadas na meteoriologia. Mesmo hoje, na era dos satélites artificiais e de uma gama enorme de recursos a sua disposição, muito da meteorologia ainda reside na observação cuidadosa da atmosfera e sua dinâmica de nuvens, ventos e temperatura.

O tempo é a condição da atmosfera em uma determinada localidade e em um determinado momento. Diariamente somos informados das condições do tempo para uma determinada região. A informação consiste de dados sobre temperatura, pressão, humidade, velocidade e direção do vento, cobertura de nuvens e precipitação. 

Metereologia é o estudo destas variáveis do tempo e os processos que as causam, e a interação da atmosfera com a superfície da Terra , oceanos e a vida.


Sun action over earth
A causa fundamental do tempo é o efeito do Sol sobre a Terra. Somente uma parte do globo terrestre esta aquecido pelo Sol em um determinado tempo. A outra parte esta imersa em escuridão e a diferença de calor entre as duas são responsáveis pelos diversos fenômenos que podemos observa na atmosfera. Essa diferença na temperatura causam: ventos, nuvens e precipitação. Esses padrões de tempo, por sua vez, sofrem variações sazonais devido a inclinação do eixo terrestre. Como o eixo terrestre possui uma inclinação de 23.5 graus em relação a ecliptica (o plano orbital da Terra), parte dos hemisférios ficam mais ou menos expostas ao calor do Sol, provocando um aquecimento desigual de ambas e resultando nas estações (Figura 1). A distribuição de terra e água (Figura 2) e a topografia da terra contribuem para modelar o padrão de tempo em uma escala menor.




Figura 1: inclinação do eixo terrestre e seus efeitos no tempo.






Figura 2. Distribuição de terra e água: hemisfério norte (esquerda) e hemisfério sul (direita). Observe que há muito mais água no hemisfério sul.


O clima de uma recião, ao contrário do tempo, é a condição da atmosfera durante um longo tempo de observação. O clima de uma região é descrito pela média de longo termo das condições atmosféricas tais como: temperatura, umidade, ventos, pressão, nuvens. visibilidade, tipo de precipitação e quantidade; devendo incluir os valores extremos e médios, por exemplo, a temperatura máxima atingida e a temperatura média da região. O objeto de estudo da Climatologia é o clima, abrangendo dados do passado e possíveis implicações futuras.

Há uma grande aproximação entre a Metereologia e a Climatologia, já que ambos tem por objeto de estudo a atmosfera; entretanto, a Climatologia tem seu foco em como os oceanos, as plataformas continentais e os organismos vivos afetam a atmosfera.

Nossa atmosfera recebe energia do Sol. Muito da transferênccia de energia ocorre abaixo da atmosfera, onde a superfície terrestre troca energia e água com a atmosfera. A distribuição desigual de terra e água, assim, contribui para determinar as condições climáticas e de tempo. Aproximadamente 70 % da superfície terrestre água. Os maiores corpos de água, em ordem decrescente, são: Oceano Pacífico, Oceano Atlântico, Oceano Índico, e Oceano Artico.

Já as plataformas continentais, em ordem decrescentem, são representadas por: Ásia, Africa, América do Norte, América do Sul, Antartica, Europa e Austrália. Mais de dois terços destas terras estão no hemisfério norte (Figura 2). Diferenças nos padrões de clima e tempo entre os hemisférios norte e sul podem frequentemente ser atribuídas a diferença quantitativa de terra e água.

Circundando a superfície da Terra, temos a atmosfera - um fino envelope de gases possuindo, no total, cerca de 480 km de espessura. A nossa atmosfera pode ser vista como aquela estreita faixa azul presente sobre o globo na imagem que abre este artigo. 

A composição química da atmosfera (Tabela 1) é basicamente nitrogênio (78 %), oxigênio (21 %) e argônio (1 %), com outros gases em quantidade menores e particulados supensos. Estes três elementos sofrem pouquíssima ou nenhuma variação e são considerados "gases permanentes". Outros gases na atmosfera, por outro aldo, sofrem variação ao longo fo espaço e tempo. Estes "gases variáveis" são: vapor d'água (0 a 4 %), e os gases traços, que incluem o dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, ozônio e os CFCs (clorofluorcabonos).



Tabela 1. Composição química da atmosfera.


O estudo da atmosfera da Terra mostra que algumas de suas propriedades variam, significativamente, a medida que nos deslocamos em altitude, ou seja, do solo para o espago. De acordo com as variag6es registradas na composição quimica, densidade, temperatura e até mesmo movimento dos gases, com a altitude em que essas propriedades são medidas, a atmosfera é dividida em cinco “camadas” distintas. Entre essas “camadas” existem as chamadas “pausas”, regioes que limitam cada uma das “camadas” e onde ocorrem as variações maximas nas caracteristicas fisicas de cada uma delas (Figura 3).



Figura 3. Divisão esquemática da atmosfera. Crédito: Wikimedia Commons

Troposfera - é a região mais baixa da atmosfera da Terra (ou da atmosfera de qualquer planeta). A altura máxima da troposfera, medida a partir da superficie da Terra, varia de acordo com o local onde é medida. Sobre os polos ela atinge uma altitude de sete quilometros acima da superficie (terra ou égua, que chamamos de "nivel do mar") mas na regiao do equador a troposfera alcanga cerca de 17 km. Naturalmente, em outros lugares a altura da troposfera oscila entre esses valores. Por exemplo, em latitudes médias a troposfera da Terra atinge 11 km. Na base dessa camada gasosa, sobre a superficie da Terra, é onde floresce a vida vegetal e animal, não considerando a vida aquática.

A temperatura na troposfera varia de acordo com a altitude, assim como a densidade dos gases. A medida que subimos, a temperatura e a densidade dos gases se reduzem, podendo atingir limites críticos para a vida humana. Em sua parte mais elevada, a temperatura média é de - 51 graus Celsius. A troposfera contém, ainda, a maior parte do vapor d'água, originando as nuvens e é onde a maior parte da circulação do ar ocorre com ascenção do ar mais quente e ao mesmo tempo queda do ar mais frio.

A maioria dos fenômenos climáticos ocorrem na troposfera e ela contém, aproximadamente, 75 % de toda massa da atmosfera.

Tropopausa - é a zona Iimite, também chamada de “camada de transição” ou “camada de inversão”, entre a troposfera e a estratosfera da atmosfera da Terra. A tropopausa é caracterizada por pouca ou nenhuma mudança na temperatura a medida que a altitude aumenta. A tropopausa é definida como sendo a regiéo onde a temperatura diminui 2 °C (ou menos que isso) por cada aumento de 1000 metros na altitude. Essa regiao da atmosfera separa a troposfera (onde a temperatura diminui com a altitude) da estratosfera (onde a temperatura aumenta com a altitude). Na tropopausa o ar se torna quase completamente seco embora, grandes tempestades tropicais possam ser formadas na estratosfera inferior, acima da tropopausa. A maioria dos voos comerciais operam na tropopausa, a uma altitude de cerca de 10 km, para evitar a turbuléncia atmosférica que existe na troposfera. A tropopausa e a troposfera formam a chamada atmosfera inferior da Terra.

Estratosfera - é a segunda maior camada atmosférica, situa-se entre a troposfera e a mesosfera. A estratosfera se estende do limite superior da troposfera até 50 km acima da superfície da Terra. A estratosfera retém cerca de 19% dos gases atmosféricos. No entanto, ela possui baixíssimo teor de vapor de égua, que se revela pela quase auséncia de nuvens, nessa região. Somente as nuvens mais altas, os cirrus, cirroestratus e cumulos, aparecem e, mesmo assim, somente na estratosfera inferior. Isso mostra que na estratosfera há um ligeiro aumento de temperatura com o aumento de altitude. Esse aumento de temperatura nas camadas superiores da estratosfera é devido ao fato de que a radiagao ultravioleta proveniente do Sol é crescentemente absorvida pelas moléculas de oxigénio ar existentes, o que leva a formagao de ozônio. Devido a essa absorção da radiação ultravioleta solar, a temperatura sobe de um valor médio de -60 °C, no topo da tropopausa, até atingir um máximo de cerca de -15 °C na estratopausa (zona limite entre a estratosfera e a mesosfera). Esse aumento de temperatura faz com que a estratosfera seja uma camada gasosa calma, onde os gases se movimentam lentamente.

Estratopausa é a camada de transição que separa a estratosfera da mesosfera. Lembre-se que, na estratosfera a temperatura aumenta a medida que vamos para altitudes cada vez maiores e a estratopausa é a parte da atmosfera onde a temperatura atinge seu valor ma'ximo. A estratopausa esté situada entre 50 a 55 km acima da superficie da Terra.

Mesosfera - é a camada atmosférica Iocalizada acima da estratosfera e abaixo da termosfera. A mesosfera se estende de 50 ou 55 km, Iimite superior da estratopausa, até 80 ou 85 km acima da superficie da Terra. A mesosfera é caracterizada por temperaturas que, rapidamente, diminuem a medida que a altitude aumenta. Os gases ali existentes, inclusive as moléculas de oxigénio, ficam mais e mais rarefeitos com o aumento da altitude. Consequentemente, o aquecimento produzido pela incidéncia da radiação ultravioleta solar sobre esses gases também fica cada vez menor e isso faz com que a temperatura diminua com a altitude. Em média, a temperatura diminui de cerca de -15 °C até atingir -120 °C na mesopausa.

Apesar da mesosfera ser muito rarefeita, os gases presentes nessa camada ainda são suficientemente densos para retardar a maioria dos meteoros, e produzir sua ignição, quando eles iniciam a travessia da atmosfera da Terra. Esse aquecimento vaporiza a maioria dos pequenos meteoros, bem antes que eles atinjam a superfície terrestre e, como consequéncia, a mesosfera possui uma alta concentração de átomos de ferro e de outros metais.


Mesopausa - é a camada situada a uma altitude entre 80 e 90 km, que serve de transição entre a mesosfera e a termosfera. Não há um consenso sobre a altura da mesopausa. E nessa camada que encontramos as mais baixas temperaturas de toda a atmosfera terrestre.

Termosfera é a camada da atmosfera localizada acima da mesosfera e abaixo da exosfera. Ela vai, portanto, de 80-85 km a mais de 640 km de altitude. A termosfera inclui duas camadas atmosféricas: a ionosfera e a exosfera. Na termosfera a temperatura aumenta com a altitude. Isso ocorre porque a radiagao solar, altamente energética, é absorvida pela pequena quantidade de oxigênio residual que ainda está presente nessa região. As temperaturas na termosfera são altamente dependentes da atividade solar. Algumas particulas gasosas alcangar 2500 graus Celsius durante o dia, mas, apesar dessa alta temperatura, nao sentimos calor na termosfera, porque o ar ali é tão rarefeito (próximo ao que chamamos de vácuo) que, praticamente, nao ha contato suficiente, com um número suficiente de átomos para que esse calor seja transferido para nós. Um termômetro comum colocado na termosfera mostraria temperaturas bem abaixo de 0 grau Celsius. A incidéncia da radiação solar faz com que os átomos existentes na termosfera superior sejam ionizados. A regiao superior da termosfera, onde esse processo acontece, damos o nome de “ionosfera”.

Termopausa - é a camada de transição que separa a termosfera da exosfera. A altitude exata da termopausa varia de acordo com o instante do dia, o fluxo de radiação solar e a estação do ano. Ela pode estar entre 500 e 1000 km de altitude, sobre um determinado local da Terra, devido a esses fatores. 

Exosfera -  é a camada mais externa da atmosfera da Terra. A exosfera vai da região que esté aproximadamente entre 500 e 1000 km de altitude, até cerca de 10000 km. Lembre-se que os valores limites da exosfera, aqui apresentados, nao são rfgidos e variam com diversos fatores fisicos. A exosfera é a última camada atmosférica antes de atingirmos o espago interplanetério. A camada mais inferior da exosfera é chamada de “nível crítico de escape", onde a pressão atmosférica é muito baixa, uma vez que os gases estão altamente rarefeitos. Os gases atmosféricos, encontrados na exosfera, são os mais leves, principalmente o hidrogénio, algum hélio e dióxido de carbono. E somente a partir da exosfera que os átomos e moléculas dos gases atmosféricos, conseguem escapar para o espaço.



Twilight
 
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