Atmosfera: Composição e Estrutura

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ARQUITETURA E URBANISMO
Disciplina: Clima e Conforto no Ambiente Construído Urbano
Atmosfera: Composição e Estrutura
- Definição: mistura mecânica de gases que estão presos à Terra pelas forças da
gravidade.
- Função: funciona como um filtro que seleciona através da absorção, difusão e reflexão
a radiação eletromagnética emitida pelo sol
- A sua coloração está diretamente ligada com a difusão, isso é, sua propagação.
- Origem: colisão de corpos celestiais planetesimais (pequenos corpos rochosos
formados basicamente de poeira e gases).
- A origem da atmosfera está diretamente relacionada com a origem da Terra.
 Os gases começam a ser liberados pelas colisões dos planetesimais;
 Composição da atmosfera primitiva: Nitrogênio (N2), dióxido de carbono (CO2)
e H2O;
 A 3 bilhões de anos atrás, as algas começaram à realizar fotossíntese e produzir
O2.
Até então a atmosfera estava repleta de CO2.
Composição da Atmosfera
Constituintes não variáveis
do ar atmosférico:
Constituinte
Conteúdo (%)
Constituintes variáveis o ar atmosférico:
Nitrogênio (N2)
78,084
Oxigênio (O2)
20,948
Argônio (Ar)
0,934
Neônio (Ne)
0,001818
Vapor
(H2O)
Dióxido
de 0,33
Carbono (CO2)
Ozônio (O3)
0 a 0,01
Hélio (He)
0,000524
Metano (CH4)
0,0002
Criptônio (Kr)
0,000114
Hidrogênio (H2)
0,00005
Xenônio (Xe)
0,000087
Constituinte
Conteúdo (%
por volume)
d’água 0 a 4
Dióxido
de 0 a 0001
Enxofre (SO2)
Dióxido
de 0 a 0,000002
Nitrogênio
(NO2)
Aerossóis
?
Aerossóis: todo e qualquer material sólido que está em suspensão na atmosfera.
Vapor d’água (H2O): precipitações (chuvas, neve, granizo).
Termoregulador: o vapor de água absorve as radiações de ondas longas emitidas pela
superfície, por isso ele é um dos principais gases estufa. O vapor de água retém calor.
Transporta calor e energia através do calor latente (toda energia utilizada para mudar o
estado físico da água). A energia não utilizada destes processos é chamada de energia
sensível.
Dióxido de carbono (CO2): termoregulador, absorve radiações e ondas longas – Efeito
estufa. Importante na fotossíntese e no transporte de energia.
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Estrutura da Atmosfera
- Critérios da divisão;
- Comportamento térmico irregular com variações em altitude;
- Composição dos gases;
Camadas da Atmosfera
Troposfera: 1ª camada da atmosfera, mais importante pois é nela que se encontram
85% de toda a massa atmosférica. Aproximadamente 95% dos fenômenos encontram-se
nesta camada. (Alcança em média 15 Km de altura)
- Temperatura da Troposfera: A medida que se sobe a temperatura declina, no limite da
troposfera à temperatura gira em torno de -55º C.
Na troposfera a temperatura cai porque a densidade está diminuindo, a transmissão de
energia esta menor. (a temperatura diminui -6,5º a cada 1000mts)
A extensão máxima da troposfera na linha do equador é de 19 Km, pois o ar é mais
aquecido. Nos pólos a extensão é menor, o dióxido de carbono (CO2) e o vapor de água
(H2O) são encontrados na troposfera.
Tropopausa: camada de inversão térmica e de isotermia, varia de 2 a 5 KM.
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A tropopausa é dividida em 3 camadas:
- Atmosfera livre: a troca de energia não tem influência da superfície terrestre;
- Camada de atrito: a troca de energia é feita por turbulência;
- Camada de lâminas: a troca de energia é feita por transmissão de contatos.
Estratosfera: A temperatura aumenta por causa do Ozônio, que absorve energia. Está
localizada entre 20 a 50 km.
Ozônio (O3) – Absorve radiação (UV) a, b e c e transporta energia.
Estratopausa: isotermia e inversão térmica (0ºc). A temperatura para de aumentar na
estratosfera e começa a diminuir na mesosfera.
Mesosfera: localizada entre 60 a 80 km de altitude. A densidade é muito baixa e não
existem gases nesta camada. Declínio da temperatura 0º a -90ºc.
Mesopausa: isotermia e inversão térmica.
Termosfera (Exosfera e Ionosfera): Localizados de 90 a 600 km de altitude. A
temperatura volta a aumentar com a altura..
Elementos Climáticos
São parâmetros nos quais o meteorologista ou climatolólogo mensuram as condições
atmosféricas, momentâneas (tempo) ou duradouras (clima), como por exemplo:
 Temperatura (média, máxima e mínima)
 Precipitações (chuvas, granizo e neve)
 Umidade atmosférica (absoluta, relativa, compensada, etc)
 Pressão atmosférica
 Radiação solar (direta ou indireta)
 Ventos (direção e intensidade)
 Nebulosidade, evaporação, evapotranspiração, entre outros.
A Temperatura do Ar
CALOR é definido como energia cinética total dos átomos e moléculas que compõem
uma substância.
TEMPERATURA é uma medida da energia cinética média das moléculas ou átomos
individuais.
A distinção fica mais clara pelo seguinte exemplo. A temperatura de um copo de água
fervente é a mesma que a da água fervente de um balde. Contudo, o balde de água
fervente tem uma maior quantidade de energia que o copo de água fervente. Portanto, a
quantidade de calor depende da massa do material, a temperatura não.
Embora os conceitos de calor e temperatura sejam distintos, eles são relacionados. A
temperatura de uma parcela de ar pode mudar quando o ar ganha ou perde calor, mas
isto não é sempre necessário, pois pode haver também mudança de fase da água contida
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no ar ou mudança de volume da parcela de ar, associada com o ganho ou perda de calor.
Por outro lado, gradientes de temperatura determinam o fluxo de calor de um lugar para
outro através de radiação, condução e convecção
ESCALAS DE TEMPERATURAS
Vamos mencionar três escalas: a Celsius, a Fahrenheit e a Kelvin (ou absoluta). A
escala Fahrenheit é muito usada em países de língua inglesa, principalmente Estados
Unidos e Inglaterra. A escala Kelvin também é usada para fins científicos.
O ponto de fusão do gelo
corresponde a 0º C na escala
Celsius, 32º F na escala
Fahrenheit e 273 K na escala
Kelvin. O ponto de ebulição da
água
corresponde,
respectivamente, a 100º C 212º
F e 373 K. A relação entre as
três escalas está representada na
Fig. 3.1. O ponto zero da escala
Kelvin
(zero
absoluto)
corresponde,
ao
menos
teoricamente, à temperatura na
qual cessa o movimento
molecular e o objeto não emite
radiação eletromagnética. Não
há temperaturas abaixo dessa. A
seguir, relações entre as
diversas escalas:
ou
ou
Fig. 3.1 - Escalas de temperatura
As Precipitações Atmosféricas
A chuva, a neve, e a geada são corpos com formas de precipitações atmosféricas, assim
como o orvalho e o granizo. Todas elas resultam da condensação, fenômeno que ocorre
quando há resfriamento ou excesso de vapor de água de um determinado lugar da
superfície terrestre.
A Chuva
É a precipitação liquida em forma de gotas de água, que caem das nuvens. O processo
tem duas etapas:
•
•
Na primeira, o vapor de água se condensa em minúsculas gotículas nas nuvens;
Na segunda, há uma colisão entre as gotículas maiores de água e as menores,
que são absorvida pelas primeiras. Com o tamanho aumentando, as gotas
acabam caindo das nuvens.
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Há vários tipos de chuvas, os principais conforme a sua origem são:
- Chuvas de Convecção: o ar quente que sobe em movimento contínuo na atmosfera se
resfria a grandes altitudes, dando origem a nuvens do tipo cúmulo ou cúmulo-nimbo.
Essas chuvas são típicas da zona equatorial, como Amazônia, onde o ar se aquece com
muita freqüência por causa da alta temperatura do sol. São chuvas fortes, que caem sob
a forma de “pancadas” em áreas não extensas e geralmente a tarde, pois o aquecimento
do ar é maior depois do meio dia. São intermitentes, são acompanhadas de relâmpagos e
trovoadas na maioria das vezes.
Chuvas Frontais: resultam do choque duas diferentes massas de ar; uma quente e
úmida e outra fria e seca. Por ser mais pesado, o ar frio faz o ar quente subir na
atmosfera. Esse ar quente e úmido se resfria e se condensa, provocando chuvas
demoradas e que podem atingir áreas extensas. Esse tipo de chuva é o mais freqüente
em todo o mundo.
Chuvas Orográficas: são causadas pelo choque do ar oceânico (ar úmido, por tanto),
com uma área montanhosa. As montanhas atuam como uma barreira no caminho do
vento, obrigando-o a subir para atmosfera. Ao subir, o ar se resfria e se condensa, caído
sob a forma de chuvas sobre as vertentes, como ocorre na costa oeste da América do
Norte. Nesses casos o outro lado da barreira montanhosa não é atingido pela chuva, mas
pelo ar seco. Isso porque o vento, ao chegar a essa área, já perdeu a umidade.
A Neve
É uma precipitação sólida. São minúsculos cristais de gelo que caem das nuvens,
quando a temperatura está abaixo do ponto de congelamento da água (0º C ou 32º F).
O Granizo
É uma forma de precipitação sólida que geralmente ocorre durante temporais. Consiste
na queda de “pedras de gelo” que se formam no interior de cúmulos-nimbos. Essas
“pedras” apresentam em médias cerca de 6mm de diâmetro. As vezes ocorrem
precipitações “pedras” muito maiores, que podem causar grandes a agricultura.
Nas regiões tropicais, a ocorrência do granizo é mais freqüente no inicio da estação
chuvosa (Outubro e Novembro).
O Orvalho
É a condensação do vapor de água atmosférico sobre a superficie. Ocorre quando as
gotas de água se condensam sobre o solo durante as madrugadas frias. É por isso, que
nas manhas muito frias, a vegetação ou os vidros das janelas ficam totalmente cobertos
de gotas de água.
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A Geada
É a solidificação do orvalho. Ocorre em madrugadas muito frias, quando as gotas de
água do orvalho se resfriam a menos de 0º C. Pela manha desde que haja um pouco e
calor (acima de 0º C) os raios solares fazem desaparecer os minúsculos cristais de gelo
que forma a geada.
A Umidade do Ar, as Nuvens e os Nevoeiros
Umidade do Ar: capacidade do ar para conter um volume limitado de vapor de água.
Umidade Relativa do Ar: é a relação entre a quantidade de vapor de água (calculada
em gramas por metro cúbico de ar), o volume e a temperatura da atmosfera de um
determinado lugar.
As Nuvens: Condensação do vapor de água na atmosfera, são formados basicamente
por gotículas de água mais leve que o ar e ocorre bem acima do solo.
Nevoeiro: condensação do vapor de água que ocorre perto do solo, também chamado de
neblina.
A Pressão Atmosférica
A pressão atmosférica nada mais é do que o peso do ar. Ela é medida por um aparelho
chamado barômetro. A unidade que mede a pressão atmosférica é o milibar.
1mb ---------------0,75mm (mercúrio)
Recentemente passou a ser denominada Hectorpascal (Hpa) em homenagem ao cientista
Pascal que demonstrou a influência da altitude na variação da pressão.
Referência----------nível do mar (1000mb)
(Maior 1000mb a pressão é considerada alta)
(Menor 1000mb a pressão é considerada baixa )
Radiação Solar e Terrestre. Balanço de Calor.
O Sol é a fonte de energia que controla a circulação da atmosfera. O Sol emite energia
em forma de radiação eletromagnética, da qual uma parte é interceptada pelo sistema
Terra-atmosfera e convertida em outras formas de energia como, por exemplo, calor e
energia cinética da circulação atmosférica. É importante notar que a energia pode ser
convertida, mas não criada ou destruída. É a lei da conservação da energia.
A energia solar não é distribuída igualmente sobre a Terra. Esta distribuição desigual é
responsável pelas correntes oceânicas e pelos ventos que, transportando calor dos
trópicos para os pólos, procuram atingir um balanço de energia. Inicialmente vamos
abordar as causas dessa distribuição desigual, temporal e espacial. Estas causas residem
nos movimentos da Terra em relação ao Sol e também em variações na superfície da
Terra. Depois, examinaremos as propriedades básicas da radiação eletromagnética,
como a radiação interage com o sistema Terra-atmosfera e sua conversão em calor.
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Movimentos da Terra, Estações.
A Terra tem dois movimentos principais: rotação e translação. A rotação em torno de
seu eixo é responsável pelo ciclo dia-noite. A translação se refere ao movimento da
Terra em sua órbita elíptica em torno do Sol. A posição mais próxima ao Sol, o
perihélio (
), é atingido aproximadamente em 3 de janeiro e o ponto
mais distante, o afélio (
), em aproximada-mente 4 de julho. As
variações na radiação solar recebida devidas à variação da distância são pequenas.
Fig. 2.1 - Relações entre o Sol e a Terra
As estações são causadas pela inclinação do eixo de rotação da Terra em relação à
perpendicular ao plano definido pela órbita da Terra (plano da eclíptica) (Fig. 2.1).
Esta inclinação faz com que a orientação da Terra em relação ao Sol mude
continuamente enquanto a Terra gira em torno do Sol. O Hemisfério Sul se inclina para
longe do Sol durante o nosso inverno e em direção ao Sol durante o nosso verão. Isto
significa que a altura do Sol, o ângulo de elevação do Sol acima do horizonte, (ver
sistema de coordenadas horizontais na Fig. 2.2) para uma dada hora do dia (por
exemplo, meio dia) varia no decorrer do ano. No hemisfério de verão as alturas do Sol
são maiores, os dias mais longos e há mais radiação solar. No hemisfério de inverno as
alturas do Sol são menores, os dias mais curtos e há menos radiação solar.
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Fig. 2.2 - Coordenadas Horizontais
Fig. 2.3 - Coordenadas Geográficas
A quantidade total de radiação solar recebida depende não apenas da duração do dia
como também da altura do Sol. Como a Terra é curva, a altura do Sol varia com a
latitude (ver sistema de coordenadas geográficas na Fig. 2.3). Isto pode ser visto na Fig.
2.4. A altura do Sol influencia a intensidade de radiação solar, ou irradiância, que é a
quantidade de energia que atinge uma área unitária por unidade de tempo (também
chamada densidade de fluxo), de duas maneiras. Primeiro, quando os raios solares
atingem a Terra verticalmente, eles são mais concentrados. Quando menor a altura
solar, mais espalhada e menos intensa a radiação (Fig. 2.5). Segundo, a altura do sol
influencia a interação da radiação solar com atmosfera. Se a altura do sol decresce, o
percurso dos raios solares através da atmosfera cresce (Fig. 2.4) e a radiação solar sofre
maior absorção, reflexão ou espalhamento, o que reduz sua intensidade na superfície.
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Fig. 2.4 - Variação da altura do Sol com a latitude. Se a altura do Sol é pequena, os raios
que atingem a Terra percorrem distância maior na atmosfera.
Fig. 2.5 - Variações na altura do Sol causam variações na quantidade de energia solar
que atinge a Terra. Quanto maior a altura, maior a energia recebida.
Há 4 dias com especial significado na variação anual dos raios solares em relação à
Terra. No dia 21 ou 22/12 os raios solares incidem verticalmente (h=90°) em 23°27’S
(Trópico de Capricórnio). Este é o solstício de verão para o Hemisfério Sul (HS). Em 21
ou 22/6 eles incidem verticalmente em 23°27’N (Trópico de Câncer). Este é o solstício
de inverno para o HS. A meio caminho entre os solstícios ocorrem os equinócios (dias e
noites de igual duração). Nestas datas os raios verticais do Sol atingem o equador
(latitude = 0°). No HS o equinócio de primavera ocorre em 22 ou 23 de setembro e o de
outono em 21 ou 22 de março. As direções relativas dos raios solares e a posição do
círculo de iluminação para essas datas estão representadas na Fig. 2.6.
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Fig. 2.6 - Características dos solstícios e equinócios
A incidência de raios verticais do sol, portanto, ocorre entre 23°27’N e 23°27’S. Todos
os locais situados na mesma latitude tem idênticas alturas do Sol e duração do dia. Se os
movimentos relativos Terra-Sol fossem os únicos controladores da temperatura, estes
locais teriam temperaturas idênticas. Contudo, apesar da altura do Sol ser o principal
controlador da temperatura, não é o único.
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Fotoperíodo
O fotoperíodo corresponde ao intervalo de tempo decorrido entre o nascimento e o
ocaso do Sol. Também chamado de duração efetiva do dia, o fotoperíodo depende da
latitude local e da inclinação do Sol na data considerada.
Radiação Eletromagnética
Praticamente toda a troca de energia entre a Terra e o resto do Universo ocorre por
radiação, que é a única que pode atravessar o relativo vazio do espaço. O sistema Terraatmosfera está constantemente absorvendo radiação solar e emitindo sua própria
radiação para o espaço. Numa média de longo prazo, as taxas de absorção e emissão são
aproximadamente iguais, de modo que o sistema está muito próximo ao equilíbrio
radiativo. A radiação também tem papel importante na transferência de calor entre a
superfície da Terra e a atmosfera e entre diferentes camadas da atmosfera.
A radiação eletromagnética pode ser considerada como um conjunto de ondas (elétricas
e magnéticas) cuja velocidade no vácuo é (
). As várias formas de
radiação, caracterizadas pelo seu comprimento de onda, compõem o espectro
eletromagnético (Fig. 2.7).
Fig. 2.7 - Espectro eletromagnético
O comprimento de onda (l ) é a distância entre cristas (ou cavados) sucessivos (Fig.
2.8); a freqüência de onda (u ) é o número de ondas completas (1 ciclo) que passa por
um dado ponto por unidade de tempo (s). A relação entre l , u e a velocidade c é c=lu
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Fig. 2.8 - Caraterísticas de uma onda
Embora o espectro eletromagnético seja contínuo, nomes diferentes são atribuídos a
diferentes intervalos porque seus efeitos, geração, medida e uso são diferentes. Por
exemplo, as células da retina do olho humano são sensíveis a uma radiação num estreito
intervalo chamado luz visível, com l entre
e
.
A maior parte da energia radiante do sol está concentrada nas partes visível e próximo
do visível do espectro. A luz visível corresponde a ~43% do total emitido, 49% estão no
infravermelho próximo e 7% no ultravioleta. Menos de 1% da radiação solar é emitida
como raios X, raios gama e ondas de rádio.
Apesar da divisão do espectro em intervalos, todas as formas de radiação são
basicamente iguais. Quando qualquer forma de energia radiante é absorvida por um
objeto, o resultado é um crescimento do movimento molecular e um correspondente
crescimento da temperatura.
O Vento e a Circulação Geral da Atmosfera
O vento é o ar em movimento. E o deslocamento contínuo do ar na superfície terrestre.
São as diferenças de pressão atmosféricas que explicam esses movimentos, que ocorre
principalmente na horizontal, isto é, de uma área para a outra. Mas esse movimento
também pode ser vertical ou seja, da superfície, onde o ar é mais aquecido para o alto.
O movimento conjunto dos ventos na atmosfera, deslocando ar quente para as zonas
frias e vice-versa, é chamado de circulação geral da atmosfera.
 Ventos Alísios: são ventos vindo das áreas subtropicais sentido áreas equatoriais
durante todo o ano.
 Ventos contra-alísios: é o ar que retorna, por meio dos ventos de altitude para as
áreas temperadas. A faixa de encontro da circulação atmosférica dos dois
hemisférios, que ocorre na zona equatorial, é chamada de convergência
intertropical.
 Brisas: são ventos diários causados pelas diferenças de temperatura e de pressão
entre as águas oceânicas e o continente que está próximo. (brisa marítima e brisa
terrestre)
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Tipos de vento:
 Monções: são causados pelas diferenças de pressão e de temperatura entre as
áreas continentais e o oceano Índico. (ocorre principalmente na estação chuvosa
da Índia, embora estejam presentes também em porções da América, da África e
da Oceania)
 O Mistral: vento frio do vale do rio Ródano, na França
 O Fonh: vento quente que dissolve a neve dos alpes suíços.
 O Simum: vento dos desertos do norte da África.
 O Minuano: vento que sopra dos pampas do Rio Grande do Sul
Fatores ou Controladores Climáticos
São determinados fatores que interferem nas características dos parâmetros
meteorológicos, como por exemplo:
• Latitude
• Altitude
• Continentalidade e maritimidade
• Vegetação
• Condicionantes topográficos, entre outros.
A Influência da Latitude e Altitude
A latitude é um dos fatores que mais influem na temperatura de um lugar.
Quanto mais próximo uma área estiver da linha do Equador, maior será a temperatura; e
quanto mais distante desta linha estiver, menor será a temperatura, devido a menor
incidência de luz solar
Altitude: altura em referência ao nível do mar. Quanto maior a altitude, menor a
temperatura. Isso ocorre devido a uma menor concentração de gases e de umidade, o
que leva a uma menor retenção de calor pela absorção dos gases na atmosfera. De
maneira geral, a temperatura diminui com a altitude, pelo menos até por volta de 20 km
de altitude (Tropopausa). A cada 1.000mts de altura na atmosfera (até a Tropopausa)
ocorre a perda de -6,5º C.
A Influência da Continentalidade e Maritimidade
Refere-se ao afastamento de uma área em relação as grandes massas liquidas; mares e
oceanos. A extensão dos continentes é um fator climático. A relação entre o volume de
terras e a proximidade de grandes quantidades de água exerce influência na temperatura.
Isso porque a água demora a se aquecer, enquanto os continentes se aquecem
rapidamente. Por outro lado, ao contrário dos continentes, a água demora a irradiar a
energia absorvida. Por isso, o Hemisfério Norte tem invernos mais rigorosos e verões
mais quentes, devido a quantidade de terras emersas ser maior, ou seja, sofre influência
da continentalidade. Áreas costeiras tendem a ser mais frias que as áreas continentais,
pois a água ameniza as altas temperaturas;
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Vegetação: impede a incidência direta dos raios solares na superfície, amenizando o
aquecimento.
Topografia: a topografia pode facilitar ou dificultar a circulação das massas de ar,
influenciando na temperatura. No Brasil, por exemplo, as serras no Centro-Sul do país
formam uma “passagem” que facilita a circulação da massa polar atlântica e dificulta a
massa tropical atlântica;
Massas de ar: são grandes blocos de ar que se deslocam pela superfície terrestre.
Podem ser polares, tropicais ou equatoriais, apresentando características particulares da
região em que se originaram, como temperatura, pressão e umidade. O encontro de duas
massas, geralmente uma fria e outra quente, é denominada de frente. Quando elas se
encontram ocorrem chuvas e o tempo muda;
Correntes Marítimas: são as massas de água que circulam pelo oceano. Tem suas
próprias condições de temperatura e pressão e exercem grande influência no clima.
Os Fenômenos Atmosféricos
São fenômenos atmosféricos: a temperatura do ar, a pressão atmosférica, o vento, a
umidade do ar, as nuvens e as precipitações. São eles que constituem o tempo
atmosférico e permitem definir os tipos de clima da Terra.
Referências Bibliográficas
AYOADE, J. Introdução à Climatologia para os Trópicos. São Paulo : Ed. Bertrand
Brasil, 1986.
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