menu_topo

Fale com o professor Lista geral do site Página inicial Envie a um amigo Autor

Atmosfera Terrestre

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br 

Introdução
Atmosfera é o nome que se dá ao autêntico oceano gasoso em cujo fundo nós vivemos. Paralelamente, esta palavra designa também a pressão normal do ar = intensidade da força de pressão por unidade de área — em aplicações técnicas, com o valor de 1 kgf/cm2, onde 1 kgf (quilograma-força) é a intensidade da força que atuando na massa de 1 quilograma (1 kg) lhe imprime aceleração de valor igual à aceleração normal da gravidade (gn).
Em meteorologia considera-se pressão normal a pressão de 1 bar = 1000 milibares (103mb), exercida por uma coluna de mercúrio (sob a ação da gravidade normal, gn = 9,806 65 m.s-2) com 750 mm de altura = 750 torr (de Torricelli), na linguagem dos físicos. Para passar de milímetros de mercúrio (mmHg) para milibar (mb), é suficiente multiplicar por 4/3, e por 3/4 para a transformação inversa.

O ar é formado por 78,09% (em volume) de nitrogênio (N2), 20,95% de oxigênio (02), 0,93% de Argônio (Ar, um gás nobre), 0,03% de anidrido carbônico (CO2). O teor em vapor de água (H2O)g é muito variável, já que o ar quente pode conter muito mais do que o ar frio: a 30°C, o ar saturado contém 4% de vapor de água, e a -25ºC apenas 7%. A quantidade de vapor de água que o ar efetivamente contém é habitualmente dada como uma percentagem da quantidade de saturação, para a mesma temperatura: é a umidade relativa, que se mede com o higrômetro de fio de cabelo e com o psicrômetro.

A umidade absoluta é a quantidade de vapor de água (expressa em gramas, g) existente na unidade de volume (expressa em metros cúbicos, m3), ou seja, expressa em g/m3; o seu valor numérico é aproximadamente igual ao da pressão exercida pelo vapor de água, em torr.

Ponto de orvalho é a temperatura a que se deveria arrefecer o ar para que a umidade relativa efetiva se tomasse saturante, continuando o arrefecimento obter-se-ia água líquida (orvalho, gotas).

Também é variável o teor do CO2 no ar — consumido pelas plantas, expirado pelos animais e ainda produzido pelas combustões e fermentações. A quantidade total de CO2 existente no ar, no início do século passado, orçava em 2.1012 toneladas. Apenas de 1900 a 1935 foram queimadas cerca de 0,5.1011 toneladas de carvão e petróleo sobre toda a Terra, o que corresponde à produção de 1,5.1011 toneladas de CO2, portanto ao acréscimo de 1/13. Com o atual consumo do petróleo e carvão, o teor de CO2 deverá duplicar em cerca de 150 anos, mas não é certo que assim suceda, porque a água do mar pode conter em solução muito CO2.

A densidade do ar, isto é, a sua massa por unidade de volume, a 0°C e à pressão de 1 atm é 1,293 g/litro, ou seja, aproximadamente, oitocentas vezes menor do que a densidade da água (1000 g/litro). Uma coluna de água com 1 cm2 de seção reta e 1000 cm de altura (volume de 1 litro) tem massa de 1 kg e, portanto, sob a ação da gravidade normal, tem peso de 1 kgf, ou aproximadamente 10 N (10 newtons). Uma camada de água com 10 m de espessura exerce portanto sobre o seu fundo, graças exclusivamente ao seu próprio peso, uma pressão de 1 atm. Uma camada líquida que fosse exatamente tão leve como o ar à superfície do globo terrestre, deveria ter uma espessura oitocentas vezes maior (8000 m) para exercer a mesma pressão: a H =8000 m chama-se a espessura da atmosfera homogênea.

A densidade de um gás como o ar depende das seguintes grandezas:
-- pressão p a que está sujeito; duplicando á pressão, o gás é comprimido para metade do seu volume, e a sua densidade
r será igualmente duplicada;
-- a dependência da temperatura exprime-se vantajosamente em relação à temperatura absoluta T, cujo valor se obtém da temperatura relativa Celsius somando 273,2° (por exemplo, 26,8°C = 300 K, de Kelvin, escala absoluta e, não se coloca a notação 'grau');
-- a natureza química do gás intervém mediante a massa molecular M.

A fórmula que dá a densidade dos gases, ou lei dos gases, é então r=pM/RT, em que R é uma constante.
[Se você está mais 'acostumado' com pV = nRT, substitua n por m/M (massa total do gás/massa molecular média dos constituintes do gás), ficando pV = (m/M)RT; reescreva assim: m/V = pM/RT e, como m/V =
r, chegamos a  r = p.M/R.T]

A massa molecular do ar (média ponderada) M, considerado como uma mistura de N2 (M=28) e 02 (M=32) vale M=28,95 (reveja a distribuição desses gases no ar para o cálculo da média ponderada).
[A massa molecular de uma substância é a massa de uma molécula dessa substância relativa à unidade de massa atômica u (igual a 1/12 da massa do isótopo carbono 12: 12C).]

Na atmosfera livre, a pressão num nível h depende do peso do ar acima desse nível. Uma pequena coluna de ar com 1 cm2 de seção reta e com as bases nos níveis h  e h + Dh (em cm), tem o volume Dh cm3, a massa r.Dh (r, densidade) e  peso r.Dh.g (g, aceleração da gravidade). Então, ao passarmos do nível h para h + Dh, a pressão variará precisamente Dp = - r.g.Dh, em que o sinal negativo significa que a pressão baixa quando a altitude aumenta. Como r = p.M/R.T  e  Dp = - r.g.Dh,  vem  Dp = - (p.M/R.T).g.Dh  ou   Dp = - (M.g/R.T).p.Dh;  pondo H = R.T/M.g teremos  Dp = - p.Dh/H  ou, finalmente:

Dp/p = - Dh/H

A um acréscimo Dh corresponde a variação relativa Dp/p para a pressão, cujo valor é simétrico do da variação relativa Dh/H? e pode-se mostrar que H é, para a atmosfera, exatamente igual à espessura da atmosfera homogênea já definida acima: cerca de 8 000 m. Para uma subida de 8 m, junto da superfície do globo (pressão, por exemplo, 1000 mb), será   Dh/H = 8/8000 = 0,001 donde Dp/p = 0,001 também e  Dp = 1 mb : na vizinhança do solo, a pressão baixa 1 mb para cada subida de 8 m. Mas, para os mesmos 8 m, na altitude de 16 km (onde p = 100 mb), a variação da pressão será 1/10 mb.
Em geral, a pressão baixa de p/10 para uma subida de 2,30 H. Todavia, isto só aproximadamente é verdadeiro, pois H também varia com a altitude, por intermédio de T e, à partir da altitude de 100 km, também por intermédio de M. Pela fórmula  H = R.T/M.g vê-se que H aumenta com T, e quando M baixa, o que se verifica quando as moléculas se dissociam (por exemplo, separação das moléculas de 02 em átomos de oxigênio, como acontece à volta dos 120 km de altitude); como as partículas se tomam assim mais numerosas, o abaixamento de pressão com a altura toma-se mais lento. Finalmente H cresce também com uma diminuição de g, que só é sensível, contudo, a grandes altitudes: a 1000 km de altitude, g vale, ainda, 3/4 do valor à superfície.

A massa total da atmosfera é 5,1.1015 toneladas, menos do que 1 milionésimo da massa do globo. Em 1 cm3 de ar junto da superfície há cerca de 27.1018 moléculas. Ordenadas em repouso com o intervalo recíproco de 3,3.10-7 cm, caberiam 3 milhões delas ao longo de 1 cm de comprimento. Mas elas, fora do zero absoluto de temperatura, nunca se encontram em repouso, antes movem-se desordenadamente, com velocidades de 500 m/s, percorrendo 1/100 000 cm entre cada choque (percurso médio livre ) com outra molécula e mudando então de direção (5.109 choques por segundo). A 300 km de altitude, há só 8.108 moléculas por cm3, a 600 km — consoante observações dos satélites — este número é maior de dia do que de noite: 3.106 ao meio-dia, 3.105 à meia-noite.
O valor de H cresce com a altitude, por causa das crescentes dissociação molecular e temperatura e da aceleração da gravidade decrescente: dos 8 km à superfície, passa a13 km à altitude de 120 km, a 30 km à altitude de 180 km, a 50 km nos 300 km de altitude, finalmente, na altitude de 600 km toma os valores 120 km de dia e 70 km de noite.
O percurso médio livre  das moléculas também varia com a altitude: aos 100 km mede 2 cm, aos 300 km já vale 1 km e para cima dos 400 km é já tão grande que com frequência uma molécula se desloca sem encontrar nenhuma outra. Pode dar-se então o caso de a sua velocidade ultrapassar a velocidade de escape da Terra (11 km/s), como acontece com alguns átomos leves isolados (hidrogênio) e a partícula abandona assim o nosso planeta.

À camada exterior da atmosfera dá-se por isso o nome de exosfera. As partículas libertadas passam a constituir a matéria do espaço interplanetário, com cerca de 500 átomos/cm3 (lonosfera).
O quadro seguinte apresenta muito esquematicamente as diversas camadas da atmosfera, em corte vertical, segundo proposta de Chapman. As classificações são diversas, conforme o parâmetro ou parâmetros a que atendem. Assim, em (I), atende-se à temperatura e à fuga molecular; em (II) à ionização; em (III) à composição e em (IV) à atividade química. As altitudes indicadas para os níveis separadores são aproximadas, não se esquecendo que variam, por vezes consideravelmente, quer em função da latitude, quer em função da hora ou ainda de outras causas.
As superfícies de separação recebem nomes formados por um radical proveniente do nome da camada abaixo, mais o sufixo «pausa». Por exemplo, estratopausa será a superfície separadora da estratosfera e da mesosfera.

A ozonosfera, localizada à volta dos 25 km, não afeta grandemente a «massa molecular» do ar, por isso, está totalmente incluída na homosfera. Na heterosfera, a referida massa baixa de 28,9 para 16.
A temperatura média do ar na altitude dos 20 km (estratosfera) é, sobre o Equador  -80°C = 193 K, sobre o pólo -40°C no Verão, -60°C no Inverno. Dos 30 aos 50 km aproximadamente, a temperatura cresce até perto de 0°C (mesosfera), voltando a diminuir até aos 80 km, onde vale  -80°C. A partir daí, começa a ionosfera, onde a temperatura cresce sempre (termosfera), atingindo, por exemplo, 930°C = 1200 K na altitude de 200 km e 2200 K (meio-dia) ou 1200 K (de noite) na altitude de 600 km, onde, portanto, a oscilação diurna é da ordem dos 1000 graus. Porém (atenção a isto!) não devem estas altas temperaturas serem interpretadas em termos de «calor», em face da extrema rarefação do ar que, aos 600 km, equivale ao vácuo mais perfeito até agora obtido nos laboratórios (pressão da ordem dos 10-10 torr.) Uma «temperatura de 2 200 K» significa apenas que as moléculas naquele local traduzem bem o valor de sua energia cinética média, ou seja, a temperatura é proporcional ao quadrado da velocidade da molécula.
Para a temperatura de um satélite que se mova em tal região é da maior importância que ele receba ou não a luz solar.
A temperatura singularmente alta observada aos 50 km de altitude, onde faz mais calor do que à superfície do globo, está associada com a formação do ozônio, cujas moléculas contêm três átomos de oxigênio: O3. Em níveis superiores (dos 120 km para cima), os raios ultravioletas do Sol dissociam as moléculas de oxigênio, pelo que lá só existem átomos O. Mais abaixo, dá-se a mistura de moléculas O2 e átomos O, os quais, entre os 10 e 60 km, se combinam para dar moléculas de O3. Na verdade, estas moléculas são instáveis, decompondo-se rapidamente em 02 + O, todavia, o átomo O libertado volta a combinar-se com outra molécula O2, de modo que a quantidade total de moléculas O3 varia muito lentamente. Mas o ozônio é ainda assim um gás raro; em média, uma molécula em cada 3 milhões de moléculas de ar, é de ozônio, o que não o impede de exercer uma ação poderosa, pela absorção das radiações ultravioletas do Sol e das estrelas, com c.d.o. entre 0,2 e 0,3 µ. A energia correspondente a essa absorção fica armazenada no limite superior da camada de ozônio, o que explica o aquecimento observado aos 50 km de altitude. A quantidade total de O3 e a sua distribuição vertical variam com a época do ano e com o estado atmosférico, mas há sempre ozônio suficiente para assegurar a absorção dos ultravioletas. Dos 60 para os 80 km, fica-se praticamente acima da camada de ozônio; aos 200 km o espectro solar, no ultravioleta abaixo de 0,3 µ, já foi adequadamente fotografado por foguetões.

 


Copyright © Luiz Ferraz Netto - 2000-2011 ® - Web Máster: Todos os Direitos Reservados

Nova pagina 1