Parte 4
 Composição química da atmosfera;
 Gases permanentes;
 Gases variáveis;
 Espectro de radiação;
 Absorção e emissão de radiação;
 Foto-Ionização;
 Foto-Dissociação;
 Ozônio.
Parte 4
1
Composição química da
atmosfera
Para que a concentração dos
gases
permanentes
mantenha-se
constante é necessário que haja um
equilíbrio entre sua produção e
destruição.
Parte 4
2
Balanço dos gases
permanentes
m
t
  produção  remoção
Remoção = Produção
m
t
0
Parte 4
3
Nitrogênio (N2)
• Remoção: O nitrogênio atmosférico é removido
no solo pelas bactérias, que o disponibilizam para
assimilação realizada pelas plantas.
• Produção: O nitrogênio atmosférico é produzido
através do decaimento de material orgânico animal
e vegetal.
Parte 4
4
Oxigênio (O2)
• Remoção: A remoção do oxigênio atmosférico é feita
através da respiração. Neste processo biológico ocorre a
produção de CO2. A remoção desse gás também ocorre no
processo de decaimento do material orgânico, e nos
processos de combinação dele com outras substâncias
existentes na superfície, produzindo óxidos.
• Produção: O oxigênio atmosférico é produzido pela
fotossíntese das plantas e algas. Este processo ocorre com a
remoção de CO2, e com absorção de radiação solar. O
oxigênio também é produzido pela foto-dissociação das
moléculas de água.
Parte 4
5
Os demais gases permanentes
O Argônio (Ar), Neônio (Ne), Hélio (He),
Hidrogênio (H2) e Xenônio (Xe) representam
menos do que 1% em volume e, não são tão
importantes para a Terra como o nitrogênio e o
oxigênio.
Parte 4
6
Balanço dos gases não
permanentes
Os gases não permanentes mais relevantes
são: vapor d’água (H2O), dióxido de carbono
(CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), ozônio
(O3) e os cloro-flúor-carbonetos (CFCs).
Parte 4
7
Concentração dos gases não
permanentes
Fonte: IPCC, 2001
Parte 4
8
Vapor de água (H2O)
A concentração do vapor d’água na atmosfera é
extremamente variável.
A maior parte do vapor d’água está próxima à
superfície.
Fontes de vapor d’água (oceanos, mares, lagos, rios,
etc) encontram-se na superfície.
A capacidade de reter vapor d’água na atmosfera
aumenta com a temperatura do ar que, por sua vez,
apresenta um máximo (Tmáx) na superfície da Terra.
Os maiores valores de concentração do vapor d’água
próximo à superfície são encontrados nas regiões tropicais,
enquanto que as menores são encontradas nas regiões
polares.
Parte 4
9
Vapor de água invisível
A molécula do vapor d’água é invisível, o que
significa que não interagem com a radiação solar visível.
Ela torna-se visível somente quando transforma-se
em gotícula de água e/ou em cristal de gelo em suspensão
na atmosfera; nestes dois estados, elas formam nuvens
(de água líquida ou gelo) e interagem com a radiação solar
tornando-se brancas.
Parte 4
10
Transporte de Calor Latente
O processo de evaporação (superfície) e
condensação
(nuvens),
representa
um
transporte de energia (calor latente) da
superfície para a atmosfera.
Parte 4
11
Vapor de água e a radiação
O vapor d’água presente na atmosfera interage
pouco com a radiação solar, tal que grande parte da
energia proveniente do Sol atinge a superfície da Terra,
aquecendo-a, esta é uma das razões para a temperatura
do ar apresentar um máximo na superfície terrestre.
Por outro lado, o vapor d’água presente na
atmosfera interage bastante com a radiação terrestre. Tal
que, grande parte da energia, proveniente da superfície
terrestre, na forma de radiação (onda eletromagnética) é
absorvida.
Parte 4
12
Dióxido de carbono (CO2)
• Produção: O CO2 é produzido principalmente através da
decomposição da vegetação na superfície. As erupções
vulcânicas, respiração animal, queima de combustíveis
fósseis e devastação também contribuem para a produção
do dióxido de carbono atmosférico.
• Remoção: O CO2 é removido da atmosfera através das
plantas terrestres e aquáticas (fitoplânctons) que o
consomem durante o processo de fotossíntese.
Parte 4
13
Atmosfera versus oceano
Os oceanos também exercem um controle bastante
grande nos níveis atmosféricos de CO2.
No intervalo de temperaturas observados
superfície o CO2 se dissolve diretamente na água.
na
Estima-se que os oceanos contém 50 vezes mais
CO2 que a atmosfera.
Parte 4
14
Entre o
máximo e o
mínimo de CO2
Máximo
Inverno HN
mCO2
Mínimo
Verão HN
t
0
Fonte: Meteorology Today
Parte 4
15
Evolução Temporal do Dióxido
de Carbono
ppm = partes por milhão
Parte 4
Fonte: IPCC, 2001
16
Situação do CO2
Valor do CO2 está em quase 400 ppm
Fonte: IPCC, 2001
Parte 4
17
Taxa de aumento do CO2
O aumento total na concentração de CO2 chega a
25% se contabilizado desde 1800,
no início da
revolução industrial.
Observações recentes indicam que o CO2 está
aumentando a uma taxa de 0,4% ao ano.
mCO 2
t
1
 1,5 ppm ano
Parte 4
18
Gás Metano CH4
• Produção: O CH4 é produzido na decomposição de
material orgânico: atividade agrícola (principalmente nos
arrozais) e na pecuária no processo bioquímico do
estômago do gado.
• Remoção: Absorvido pela água dos oceanos e das
nuvens e em outras reações químicas na atmosfera.
Parte 4
19
Evolução temporal do Metano
ppm = partes por milhão
Parte 4
Fonte: Meteorology Today
20
Taxa de aumento do CH4
ppb = partes por bilhão
Fonte: IPCC, 2001
Parte 4
21
Situação do CH4
ppb = partes por bilhão
Metano
é
60
mais
absorvente que o CO2
Parte 4
Fonte: IPCC, 2001
22
Taxa de crescimento do CH4
O crescimento da atividade agrícola e da
pecuária vem causando um aumento na concentração
do CH4 de cerca de 0,5% ao ano.
mCH 4
t
1
 7,0 ppb ano
Parte 4
23
Ciclo de Milankovitch
24.5o
a
21.5o
7% a
30%
de
Energia
Parte 4
24
Parte 4
25
Parte 4
26
Terra a cerca de 20000 atrás
Parte 4
27
Eras glaciais
Parte 4
28
Enxofre (sulfato e SO2)
Parte 4
29
Óxido Nitroso N20
O óxido nitroso (N20), também conhecido
como gás hilariante, é uma gás que causa efeito
estufa, cuja concentração vem aumentando nos
últimos anos a uma taxa de 0,25% ao ano.
O óxido nitroso é 270 vezes mais eficaz que
o CO2.
Parte 4
30
Óxido Nitroso N20
• Produção: O N20 é produzido no solo através do
processo químico que envolve bactérias e micróbios.
• Remoção: O N20 é consumido na atmosfera através
das reações fotoquímicas com a participação da radiação
ultravioleta.
Parte 4
31
Taxa de aumento N20
ppb = partes por bilhão
Fonte: IPCC, 2001
Parte 4
32
Situação do N20
ppb = partes por bilhão
Fonte: IPCC, 2001
Parte 4
33
Taxa de crescimento do N20
A concentração de N20 vem aumentando
nos últimos anos a uma taxa de 0,25% ao ano.
m N 2O
t
1
 0,8 ppb ano
Parte 4
34
no Mínimo de Maudner
Consequencias
Do
Aquecimento
global
e nos dias de hoje...
Parte 4
35
Mas para os homens....
1858 - 1889 Sack Coat
in Bankers Grey
Atual!!!!!!!!!!!!!!!!!
Parte 4
36
Cloro-Flúor-Carbonetos (CFC)
Os cloro-flúor-carbonetos (CFC) são gases nãotóxicos; inventados em 1928 para serem usados em
aparelhos de ar condicionado, refrigeradores e também
em spray de inseticidas, produtos de limpeza e
desodorantes.
Esses gases têm sido apontados entre os
principais causadores da destruição da camada de
ozônio.
Este fato ocorre porque são capazes de alcançar
a faixa da atmosfera onde se encontra a maior
concentração de ozônio (O3) e, ao serem atingidos pelos
raios ultravioletas, liberam monóxido de cloro, que reage
com o ozônio, decompondo-o.
O CFC é 1000 vezes mais potentes para captar energia.
solar
Parte 4
37
Destruição do Ozônio
Fonte: NASA
Parte 4
38
Situação do CFC
ppt = partes por trilhão
Fonte: IPCC, 2001
Parte 4
39
Taxa de variação do CFC
A concentração do CFC vem diminuindo
nos últimos anos a uma taxa de:
m CFC
1
 1,4 ppt ano
t
ppt = partes por trilhão
Parte 4
40
Átomos
Os gases atmosféricos, bem como toda a matéria do
universo, são formados por pequenas partículas
denominadas átomos. Os átomos são constituídos por
elétrons, prótons e nêutrons.
Prótons: cargas positivas
Nêutrons: não tem carga
Elétrons: cargas negativas
Fonte: Meteorology Today
Parte 4
41
Íons e Ionosfera
A maior parte das partículas atmosféricas é
neutra.
Contudo, podem ganhar ou perder elétrons e
tornam-se eletricamente carregadas, passando a serem
denominadas de íons.
A região da atmosfera onde as partículas são íons
(positivos ou negativos) é a ionosfera.
Parte 4
42
Ionização
O processo de formação de moléculas e átomos com
cargas elétricas através da perda ou ganho de elétrons é
denominado ionização.
Os diferentes átomos manifestam distintos graus de
atração dos elétrons de átomos próximos.
Isto pode fazer com que um átomo perca alguns de seus
elétrons, tornando-se um íon positivo (cátion) e o outro,
que ganhou elétrons, torna-se um íon negativo (ânion).
Parte 4
43
Foto-Ionização
A foto-ionização é a ionização de um gás pela luz
ou outra radiação eletromagnética.
Para isso, os fótons devem ter energia suficiente
para separar um ou mais elétrons externos dos átomos de
gás.
Acima de 90 km, a radiação solar nos comprimentos
de onda abaixo de 0,1 µm é totalmente absorvida pela
atmosfera no processo de foto-ionização do N2, O2 e O,
dando origem as camadas E e F da Ionosfera.
Parte 4
44
Ionosfera
As partículas carregadas com cargas positivas e negativas
na atmosfera apresentam uma condição instável, onde as
interações com outras partículas alteram as suas características
físicas tais como velocidade, carga elétrica, etc.
Em geral, as partículas interagem entre si através das
colisões.
Como a taxa de colisão é proporcional à densidade de
partículas, verifica-se que as partículas têm maior chance de
.
permanecer
eletricamente carregadas nas regiões da atmosfera
onde a densidade é pequena.
Assim, a ionosfera está localizada na camada mais externa
da atmosfera acima de 50 km da superfície.
Parte 4
45
Ionosfera
Fonte: Atmospheric Science, Wallace e Hobbs
Parte 4
46
Sub-Camadas da Ionosfera
A ionosfera é composta na sua maior parte de elétrons
livres produzidos na foto-ionização das moléculas e átomos.
Ela é dividida em de três camadas:
 Camada D - 50 a 90 km de altitude em relação ao nível médio
do mar;
 Camada E - 90 a 140 km de altitude em relação ao nível médio
do mar;
 Camada F - Acima de 140 km de altitude em relação ao nível
médio do mar.
Parte 4
47
Ionosfera
Parte 4
48
Ciclo diurno da Camada D
A camada D (parte mais baixa) reflete as ondas de
rádio AM de volta para a Terra.
À noite, esta camada desaparece em virtude da
ausência da radiação solar fazendo com que a transmissão
de ondas de rádio tenha um alcance maior do que durante
o dia.
Parte 4
49
Ciclo diurno da Camada D
Noite
Dia
Fonte: Meteorology Today
Parte 4
50
Magnetosfera
Fonte: Meteorology Today
Parte 4
51
Magnetosfera
O campo magnético que envolve a Terra é muito
semelhante ao campo de um dipolo magnético.
O eixo desse dipolo encontra-se inclinado cerca de
13º em relação ao eixo da Terra.
A região onde o campo magnético da Terra é
suficientemente intenso para defletir as partículas de alta
energia da exosfera é denominada magnetosfera.
Parte 4
52
Vento Solar e Magnetosfera
Fora da magnetosfera, envolvendo a Terra existe
um plasma constituído de partículas de alta energia que
são gerados no Sol e trazidas até a Terra pelos ventos
solares.
Parte 4
53
Vento Solar e Magnetosfera
Parte 4
54
Vento solar
O vento solar é o movimento organizado das
partículas ionizadas geradas na cromosfera do sol e que se
afastam do Sol com velocidade da ordem de 500 km s-1.
Fonte: Meteorology Today
Parte 4
55
Sol
Parte 4
56
Sol
Parte 4
57
Aurora Boreal ou Austral
As partículas ejetadas pelo Sol que viajam em direção
à Terra se juntam próximo aos pólos onde a densidade de
linhas de campo magnético é maior , - por conseguinte, mais
intenso é o campo magnético - e interagem com a ionosfera,
excitando os elétrons dos gases, principalmente os neutros,
que emitem radiação na região do visível do espectro de
radiação.
Esta radiação é observada na superfície da Terra nas
regiões polares como regiões de luminescência.
As faixas coloridas produzidas no céu devido à
interação das partículas de “poeira solar” com a ionosfera
próximo às regiões polares são denominadas de aurora
boreal (pólo norte) e austral Parte
(pólo
4 sul).
58
Auroras
Parte 4
59
A aurora polar terrestre é causada por elétrons de energia de
1 a 15 keV, além de prótons e partículas alfa, sendo que a
luz é produzida quando eles colidem com átomos da
atmosfera do planeta, predominantemente oxigênio e
nitrogênio, tipicamente em altitudes entre 80 e 150 km.
De modo geral, o efeito luminoso é dominado pela emissão
de átomos de oxigênio em altas camadas atmosféricas
(em torno de 200 km de altitude), o que produz a
tonalidade verde. Quando a tempestade é forte, camadas
mais baixas da atmosfera são atingidas pelo vento solar
(em torno de 100 km de altitude), produzindo a tonalidade
vermelho escura pela emissão de átomos de nitrogênio
(predominante) e oxigênio. Outros elementos produzem
uma enorme gama de cores tais como, sódio e o cloro.
Átomos de oxigênio emitem tonalidades de cores bastante
variadas, mas as predominantes são o vermelho e o
verde.
Parte 4
60
Parte 4
61
Parte 4
62
Aurora em Saturno
Parte 4
63
Radiação
A radiação é uma forma de transporte de energia
através de ondas eletromagnéticas.
Neste processo, a quantidade de energia transportada
por uma onda eletromagnética é inversamente proporcional
ao comprimento de onda (l).
Parte 4
64
Fóton
Fótons são pacotes de energia das ondas
eletromagnéticas, que a transportam no processo de
radiação.
A quantidade de energia associada a um fóton é igual
a:
F  h
onde h é a constante de Planck igual a 6,626 x 10-34 J s e 
é a freqüência de oscilação da onda eletromagnética.
Parte 4
65
Espectro de Energia
Como a onda eletromagnética se propaga com a
velocidade constante e igual a da luz (c), então a freqüência
() e o comprimento de onda (l) dessas ondas obedecem à
seguinte relação:
l  c
A distribuição de energia de uma onda
eletromagnética em função do comprimento de onda (ou
freqüência) é denominada espectro de energia.
Parte 4
66
Espectro de Radiação
Parte 4
67
Radiação Solar
Fonte: Meteorology Today
Parte 4
68
Espectro de radiação solar
O espectro de energia emitido pelo Sol indica uma
emissão contínua em um intervalo de comprimentos de onda
que vai de 0,1 mm até 1 mm.
Cerca de 44 % da energia do Sol encontra-se na
região de espectro denominada de região do visível
compreendida entre os comprimentos de onda que vão de
0,4 mm a 0,7 mm.
Parte 4
69
Radiação Terrestre
O espectro de energia emitido pela Terra indica uma
emissão contínua entre 1 mm e 100 mm.
Assim, não existe sobreposição entre os espectros de
energia emitidos pelo Sol e pela Terra, de tal forma que a
radiação proveniente da Terra é tratada de forma totalmente
independente
da
radiação
proveniente
do
Sol
e,
conseqüentemente, denominada de radiação terrestre ou
radiação de onda longa.
Parte 4
70
Radiação Infravermelha
A radiação terrestre também é chamada de radiação
infravermelha devido á posição que ocupa no espectro de
radiação eletromagnética.
Parte 4
71
Radiação solar e terrestre
Parte 4
72
Corpo negro
Corpo negro é o nome dado ao corpo que
emite o máximo possível de radiação em todos os
comprimentos de onda.
Utilizando essa definição, lei de StefanBoltzman indica que a quantidade de energia
emitida por um corpo negro é função da
temperatura do corpo.
Parte 4
73
Lei de Stefan-Boltzman
E  sT
4
Onde E é o fluxo de radiação em W.m-2, s é a
constante de Stefan-Boltzmann (s = 5,67x10-8 W m-2 K-4) e T
é a temperatura em Kelvin.
Tanto o Sol quanto a Terra emitem como um corpo
negro a temperaturas de 6000 K e 288 K.
Parte 4
74
Absorção e Emissão
No processo de absorção de radiação pelas
moléculas de um gás, a energia absorvida é utilizada para
modificar a configuração eletrônica do átomo do gás,
fazendo com que um elétron mude de um orbital para outro
mais energético.
A quantidade de energia envolvida neste processo é
discreta e depende somente da natureza do átomo.
No processo de emissão de energia de um gás, a
energia emitida é igual a energia empregada na transição
eletrônica.
Parte 4
75
Absorção e emissão de
radiação
Fonte: Meteorology Today
Parte 4
76
Radiação solar e atmosfera
Os
gases
atmosféricos
absorvem
radiação solar e terrestre e
emitem radiação de onda
longa.
Fonte: Meteorology Today
Parte 4
77
Efeito estufa
Parte 4
78
Foto dissociação
A foto-dissociação consiste em uma reação química
onde as moléculas são divididas em moléculas menores ou
átomos isolados devido à interação com a radiação solar.
A energia da radiação solar para os comprimentos de
onda entre 0,1 µm e 0,2 µm é praticamente toda absorvida na
foto-dissociação do oxigênio molecular em oxigênio atômico.
Esta reação ocorre na atmosfera entre 50 km e 110 km
de altitude
O 2  h   2O
Parte 4
79
Fotodissociação
Um outro exemplo de foto-dissociação é do gás
ozônio que, ao interagir com a radiação solar produz
oxigênio molecular (gás) e um oxigênio atômico:
O3  h   O2  O
A radiação solar com comprimento de onda entre 0,2
µm e 0,3 µm é responsável pela foto-dissociação do ozônio
nas regiões da atmosfera entre 30 e 60 km de altitude
Parte 4
80
Ozônio Troposférico
Tendo em vista a sua grande capacidade de
combinação com outros átomos (reatividade), nas camadas
onde o oxigênio atômico é produzido, ocorrem outras
reações químicas com outros constituintes químicos com a
participação do oxigênio atômico.
A reação química importante é a da formação do
ozônio:
O2  O  M  O3  M
Parte 4
81
Ozônio e Oxigênio
Parte 4
82
Formação do ozônio estratosférico








A formação do Ozônio ocorre na Estratosfera a uma
altitude média de 30 km onde os radiação solar
ultravioleta tem tamanho de onda menor que 242 nm
O2 + h=> O + O (1)
O átomo de O reage rapidamente com O2 na presença
de uma terceira molécula M (O2 ou N2), para formar o
Ozônio
O + O2 + M => O3 + M (2)
Na presença de radiação na faixa de 240 a 320 nm
temos
O3 + h=> O2 + O (3)
E também podemos ter a seguinte reação
O3 + O => O2 + O2 (4)
Parte 4
83
Ozônio Estratosférico
Parte 4
84
Ozônio Estratosférico
Parte 4
85
Ozônio Estratosférico
Parte 4
86
Buraco de Ozônio
Esfriamento da
estratosfera
Vs.
Aquecimento da
troposfera =
Aumento de varios
metros na tropopausa
Parte 4
87
Remoção de Ozônio
Parte 4
88
Remoção de Ozônio
Parte 4
89
Radiação Ultra-Violeta
Parte 4
90
Ciclo Diurno da UV
Parte 4
91
Índice de UV
Parte 4
92