A atmosfera terrestre

Não é de hoje que o ser humano se pergunta sobre como os pássaros voam, como surgem os ventos, de o que as nuvens são feitas e porque alguns dias são mais frios que outros. Todas essas perguntas têm relação com a atmosfera terrestre e entendê-la é super importante para melhorarmos nossas tecnologias. Nesse post iremos abordar algumas características e curiosidades sobre nossa atmosfera e como podemos estudá-la e explorá-la através dos nossos experimentos.

O planeta Terra é um planeta rochoso, isto é, é formado por uma grande geoide envolvida por uma atmosfera. No vídeo abaixo é possível ver com detalhes o formato (parte rochosa do planeta, sem os oceanos e atmosfera) da Terra. Observe que a superfície do planeta é completamente irregular, composta por diversas elevações e depressões (“buracos”). Claro, essa imagem é meramente ilustrativa e exagerada por motivos didáticos, na realidade essa mudança de elevação seria totalmente imperceptível para os nossos olhos olhando para o planeta do espaço. Mas mesmo assim estas mudanças são importantes, elas criam micro climas e criam condições que sustentam vida, desde

A atmosfera terrestre é uma camada de ar que envolve a geoide terrestre devido a atração gravitacional e é composta por uma mistura de diversos gases, vapores, fuligem e poeira, que chamamos de “ar”. O ar seco contém, em volume, cerca de 78,09% de nitrogênio, 20,95% de oxigênio, 0,93% de argônio, 0,039% de gás carbônico e pequenas quantidades de outros gases. Além dos gases, o ar contém uma quantidade variável de vapor de água, em média 1% nos desertos e regiões polares e 4% nos trópicos úmidos e quentes.

Contudo, há uma diferença significativa entre a densidade dos gases que compõem o ar e do vapor de água. Por esse motivo, há uma quantidade máxima de vapor de água que a atmosfera suporta, que é de cerca de 4%. Quando mais de 4% do volume do ar é composto de vapor de água o vapor se condensa e começa a chover. Devido a isso, criou-se o conceito de umidade relativa do ar (UR), que se refere a porcentagem de vapor de água presente na atmosfera, que nos permite analisar a quantidade de vapor de água presente no ar. Como a umidade relativa é relativa, 100% de UR significa que 4% do volume da atmosfera naquela região esta composta de vapor de água. 50 % de UR significa que 2% volume do ar está composto de vapor de vapor de água e assim em diante. Vale ressaltar que o ar está sempre sendo alterado e que a concentração de gases e vapores está em constante alteração.

Além dos gases e vapores a atmosfera também é composta de poeira. Poeira são partículas sólidas em suspensão no ar tais como grãos de pólen, fiapos de algodão, lã, poeira de carvão, pó de rocha e pó de materiais de construção. São essas partículas de poeira e os vapores de água que se aquecem na atmosfera, tornando a temperatura do ar adequada para a nossa sobrevivência. Se retirássemos toda a água e poeira do ar, a temperatura média da Terra seria de cerca de -153 °C.

Devido a atração gravitacional, a quantidade de ar presente na atmosfera varia com a altitude. No nível do mar o ar é mais denso e apresenta a pressão de 1 atm. Conforme se eleva a altitude, a quantidade de ar disponível vai reduzindo até chegar ao ponto em que as partículas de gases estão muito distantes entre si, ao ponto de não se comportar mais como um gás e nesse ponto se inicia o vácuo do espaço.

Como dito, conforme se eleva a altitude a concentração do ar varia e com isso as características da atmosfera naquela região também variam, entre elas a pressão, tipos de gases, concentração de vapores e poeiras, velocidade dos ventos, temperatura, entre outros. Por isso, de acordo com essas características, a atmosfera está convencionalmente estruturada em cinco camadas, três das quais são relativamente quentes, separadas por duas camadas relativamente frias, sendo elas a troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera.

Cada uma dessas camadas tem uma função específica em relação a estabilidade da nossa planeta.

Troposfera

A Troposfera é a camada atmosférica que se estende da superfície da Terra até a base da estratosfera, cerca de 12 km de altitude. Esta camada responde por cerca de 80% da massa atmosférica e é a única camada em que os seres vivos podem respirar normalmente [1]. Praticamente todos os fenômenos meteorológicos estão confinados a esta camada. Como dito anteriormente, conforme o ar se move em torno da geoide terrestre, os gases e vapores se distribuem de forma desigual, o que gera diferentes climas para cada região. Isso é consequência tanto da inclinação da Terra em relação ao seu plano de órbita em torno do sol quanto ao relevo de cada região. É a partir desses dados que estudamos o clima e tentamos prever o tempo em uma cidade. Utilizando balões meteorológicos e diversas estações climáticas espalhadas pelo mundo, podemos compreender o comportamento da atmosfera e utilizar esse conhecimento a nosso favor. Veja nosso post sobre o lançamento da nossa sonda meteorológica em maio de 2019.

Na base da troposfera encontra-se a sub camada limite planetária (CLP), a sub camada mais baixa da troposfera, com uma altura média de 1 km, na qual os efeitos da superfície são importantes, como o ciclo diurno de aquecimento e resfriamento. O que distingue a CLP de outras regiões da troposfera é a turbulência atmosférica e seu efeito de mistura, resultando em uma camada de gases homogênea. Acima da CLP, o escoamento atmosférico é laminar (não turbulento), e o ar desliza em camadas. Podemos observar o movimento laminar do ar observando as nuvens.

Os poluentes atmosféricos são difundidos pela turbulência dentro da CLP e transportados a longas distâncias, até encontrar uma região de ocorrência de nuvens de grande desenvolvimento vertical que possam lhes transportar até a troposfera superior. Uma sub camada de transição existe entre a CLP e a atmosfera livre, na qual ocorre uma mistura de ar frio e seco da atmosfera livre. Uma curiosidade é que as aves e insetos podem voar até o limite da troposfera, podendo atingir uma altitude de cerca de 12,5 km. Esse fato é muito bem representado no filme Os aeronautas da Amazon.

Estratosfera

Na estratosfera a temperatura aumenta com a altitude e se caracteriza pelos movimentos horizontais do ar. Situa-se aproximadamente entre 7 e 17 até 50 km de altitude aproximadamente, compreendida entre a troposfera e a mesosfera. Apresenta pequena concentração de vapor de água, e a temperatura cresce conforme maior a altitude. Muitos aviões a jato circulam na estratosfera devido à sua estabilidade. É nesta camada que está situada a camada de ozônio, e onde começa a dispersão da luz solar (que origina o azul do céu). Além disso, essa camada limita nossos balões meteorológicos, que possuem a capacidade de atingir ao máximo 30km de altitude.

Mesosfera

Na mesosfera a temperatura diminui com a altitude. Esta é a camada atmosférica onde há uma substancial queda de temperatura, chegando até a -90 °C em seu topo. A mesosfera está situada entre 50 a 80/85 km de altitude. É na mesosfera que ocorre o fenômeno da aero luminescência das emissões da hidroxila e é nela que se dá a combustão dos meteoroides. Além disso, essa é a camada onde os balões climáticos de alta altitude estouram.

Termosfera

Na termosfera a temperatura aumenta com a altitude, e está localizada a 80 km de altitude. Sua temperatura aumenta rapidamente com a altitude até onde a densidade das moléculas é tão pequena que se movem em trajetórias aleatórias, chocando-se raramente. A temperatura média da termosfera é de 1.500 °C, mas a densidade é tão pequena que a temperatura não é sentida normalmente. Sua espessura varia entre 350 a 800 km dependendo da atividade solar, embora sua espessura seja tão pequena quanto 80 km em épocas de pouca atividade solar. É a camada onde ocorrem as auroras e onde orbita o ônibus espacial.

Exosfera

A camada mais externa da atmosfera da Terra se estende da altitude de 600 km até o espaço exterior. Aqui, as partículas estão tão distantes que podem viajar centenas de quilômetros sem colidir umas com as outras, caracterizando o vácuo. Uma vez que as partículas colidem raramente, a exosfera não se comporta como um fluido. Essas partículas que se movem livremente seguem trajetórias retilíneas e podem migrar para dentro ou para fora da magnetosfera ou da região de atuação do vento solar. A exosfera é composta principalmente de hidrogênio e hélio, os gases mais leves.

Não existe um limite definido entre o espaço exterior e a atmosfera. Presume-se que esta tenha cerca de mil quilômetros de espessura, 99% da densidade está concentrada nas camadas mais inferiores e cerca 80% da massa atmosférica está numa faixa de 11 km desde a superfície. À medida que se vai subindo, o ar vai se tornando cada vez mais rarefeito, perdendo sua homogeneidade e composição. Na exosfera, zona em que foi arbitrado limítrofe entre a atmosfera e o espaço interplanetário, algumas moléculas de gás acabam escapando à ação do campo gravitacional. O limite onde os efeitos atmosféricos são notáveis durante a reentrada atmosférica, fica em torno de 120 km de altitude. A altitude de 100 quilômetros, conhecida como a linha Kármán, também é usada frequentemente como o limite entre atmosfera e o espaço exterior.

Experimentos

Uma forma simples de observar a atmosfera na sua região é utilizar o site windy para coletar os dados meteorológicos medidos na sua região e compará-los com os dados coletados por você em algum experimento próprio. Muitos experimentos são interessantes de se fazer, tais como lançar balões meteorológicos, medir a velocidade dos ventos com um anemômetro caseiro, estimar a velocidade nas nuvens usando cálculos trigonométricos, entre outros.

Há muito a se explorar no nosso planeta e ainda há muitos fenômenos não explicados sobre a nossa atmosfera. Explicar a turbulência, fenômenos envolvendo raios cósmicos e prever o clima com precisão são desafios ainda não resolvidos e são uma bons motivos para os cientistas dedicarem suas vidas tentando resolvê-los. Nosso planeta é belo e podemos compreendê-lo utilizando a ciência. Torne-se um cientista e venha conosco desbravar a Terra.