Atmosfera da Terra
A atmosfera terrestre é uma camada de gases que envolve a Terra e é retida pela força da gravidade. A atmosfera terrestre protege a vida na Terra absorvendo a radiação ultravioleta solar, aquecendo a superfície por meio da retenção de calor, e reduzindo os extremos de temperatura entre o dia e a noite. Visto do espaço, o planeta Terra aparece como uma esfera de coloração azul brilhante. Esse efeito cromático é produzido pela dispersão da luz solar sobre a atmosfera, e que existe também em outros planetas do sistema solar dotados de atmosfera.
A atmosfera terrestre é composta principalmente de nitrogênio, oxigênio e argônio. Os gases restantes são muitas vezes referidos como gases traços, entre os quais estão incluídos os gases do efeito estufa, como vapor de água, o dióxido de carbono, metano, óxido nitroso e o ozônio. O ar filtrado pode conter vestígios de muitos outros compostos químicos. Muitas substâncias naturais podem estar presente em quantidades ínfimas em uma amostra de ar não purificada, incluindo poeira, pólen e esporos, gotículas de água líquida, cinzas vulcânicas e meteoroides. Vários poluentes industriais também podem estar presentes, tais como o cloro (elementar ou em compostos), compostos de flúor, mercúrio elementar e compostos de enxofre, tais como dióxido de enxofre (SO2, que pode causar a chuva ácida).
Vapor de água
O vapor d'água na atmosfera encontra-se principalmente nas camadas mais baixas da atmosfera (75% de todo o vapor d'água está abaixo dos quatro mil metros de altitude) e exerce o importante papel de regulador da ação do Sol sobre a superfície terrestre. A quantidade de vapor varia muito em função das condições climáticas das diferentes regiões do planeta; os níveis de evaporação e precipitação são compensados até chegar a um equilíbrio na baixa atmosfera: o vapor de água contido nas camadas inferiores está muito próximo ao seu ponto de saturação. A água torna-se líquida quando a sua concentração chega a 4% na baixa atmosfera. O ar, em algumas áreas, como desertos, pode estar praticamente isento de vapor de água, enquanto em outras pode chegar a ao nível de saturação, algo muito comum nas regiões equatoriais, onde a precipitação pluvial é constante todo o ano.
A temperatura da atmosfera terrestre varia entre camadas em altitudes diferentes. Portanto, a relação matemática entre temperatura e altitude também varia, sendo uma das bases da classificação das diferentes camadas da atmosfera. A atmosfera está convencionalmente estruturada em cinco camadas, três das quais são relativamente quentes, separadas por duas camadas relativamente frias. Os contatos entre essas camadas são áreas de descontinuidade, e recebem o sufixo "pausa" após o nome da camada subjacente. Na termosfera a temperatura aumenta com a altitude, e está localizada acima da mesopausa. 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.
Troposfera
A Troposfera é a camada atmosférica que se estende da superfície da Terra até a base da estratosfera. Esta camada responde por cerca de oitenta por cento do peso atmosférico e é a única camada em que os seres vivos podem respirar normalmente. A sua espessura média é de aproximadamente 12 km, atingindo até 17 km nas regiões equatoriais e reduzindo-se para em torno de sete quilômetros nos polos. Praticamente todos os fenômenos meteorológicos estão confinados a esta camada. Na base da troposfera encontra-se a camada limite planetária (CLP) (também chamada de camada limite atmosférica - CLA), a 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 na chamada camada de mistura (CM). Acima da CLP, o escoamento atmosférico é laminar (não turbulento), e o ar desliza em camadas, à exceção do movimento turbulento que é encontrado dentro das nuvens convectivas do tipo cumulonimbus, de grande desenvolvimento vertical.
Tropopausa
A tropopausa é o nome dado à camada intermediária entre a troposfera e a estratosfera, situada a uma altura média em torno de 17 km sobre a linha do Equador. A distância da tropopausa em relação ao solo varia conforme as condições climáticas da troposfera, da temperatura do ar, da latitude, entre outros fatores. Se existe na troposfera uma agitação climática com muitas correntes de convecção, a tropopausa tende a subir. Isto se deve por causa do aumento do volume do ar na troposfera, este aumentando, aquela aumentará, por consequência, empurrará a tropopausa para cima.
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 até a região limítrofe, denominada estratopausa. 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).
Estratopausa
A estratopausa é a região limítrofe entre a estratosfera e a mesosfera e onde a temperatura para de aumentar conforme a elevação da altitude, marcando o início da mesosfera.
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 a estratopausa em sua parte inferior e mesopausa em sua parte superior, entre 50 a 80/85 km de altitude. É na mesosfera que ocorre o fenómeno da aeroluminescência das emissões da hidroxila e é nela que se dá a combustão dos meteoroides.
Mesopausa
A mesopausa é a região da atmosfera que determina o limite entre uma atmosfera com massa molecular constante de outra onde predomina a difusão molecular.
Além das cinco camadas principais determinadas pela temperatura, outras camadas são determinadas por várias outras propriedades.
Ozonosfera
A ozonosfera ou camada de ozônio está contida dentro da estratosfera. Nesta, a concentração da camada de ozônio é de cerca de 2 a 8 partes por milhão, que é muito maior do que o ozônio na atmosfera próxima à superfície, mas ainda é muito pequeno quando comparado com os principais componentes da atmosfera. Está localizada principalmente na parte inferior da estratosfera, entre 15 e 35 km de altitude, embora a espessura varie sazonalmente e geograficamente. Cerca de 90% do ozônio em nossa atmosfera está contido na estratosfera.
Ionosfera
A ionosfera, a parte da atmosfera ionizada pela radiação solar, estende-se de 50 a 1 mil km de altitude e, normalmente, engloba tanto a termosfera quanto a exosfera. A ionosfera representa a fronteira interna da magnetosfera. Tem importância prática, e influencia, por exemplo, a propagação radioelétrica sobre a Terra. É responsável pelas auroras. É dividida em subcamadas que se diferem pela quantidade de energia eletromagnética recebida pelo sol ou de ficarem mais ativas quando os raios solares incidem perpendicularmente no meio.
Homosfera e heterosfera
A homosfera e a heterosfera são definidas pelo fato de que os gases atmosféricos estão ou não bem misturados. No homosfera, a composição química da atmosfera não depende do peso molecular; os gases são misturados pela turbulência. A homosfera inclui a troposfera, a estratosfera e a mesosfera. Acima da turbopausa, a cerca de 100 km de altitude (essencialmente a altitude da mesopausa), a composição varia com a altitude. Isso ocorre porque a distância que as partículas podem se mover sem colidir uma com as outras é grande em comparação com o tamanho dos movimentos turbulentos que fazem a mistura. Isso permite que os gases se estratifiquem pelo peso molecular; os mais pesados, como o oxigênio e nitrogênio, estão presentes apenas próximos da parte inferior da heterosfera. A parte superior do heterosfera é composta quase que totalmente por hidrogênio, o elemento mais leve.
Camada limite planetária
A camada limite planetária é a parte da troposfera que está mais próxima da superfície terrestre, e é diretamente afetada por ela, principalmente através da difusão turbulenta. Durante o dia, a camada limite planetária é geralmente bem misturada, enquanto à noite, torna-se estavelmente estratificada, com ocasiões de mistura fraca ou intermitente. A profundidade da camada limite planetária varia de 100 m, durante noites claras e calmas, para 3 mil m ou mais durante a tarde nas regiões secas.
Pressão e espessura
A pressão atmosférica média ao nível do mar é de cerca de 1 atmosfera (atm) = 101,3 kPa (quilopascais) = 14,7 psi (libras por polegada quadrada) = 760 mmHg (milímetros de mercúrio). A massa atmosférica total é de 5,1480 × 1018kg, cerca de 2,5% inferior ao que seria calculado ingenuamente a partir da pressão média ao nível do mar e da área da Terra, de cerca de 51 007,2 mega-hectares. este desvio nos cálculos é devido ao terreno montanhoso da superfície terrestre. A pressão atmosférica é o peso total do ar por unidade de área, no ponto onde a pressão é medida. Assim, a pressão do ar varia com a localização e momento, porque a quantidade de ar acima da superfície da Terra varia.
Densidade e massa
A densidade do ar ao nível do mar é cerca de 1,2 kg/m³. A densidade não deve ser medida diretamente, mas é calculada a partir de medições de temperatura, pressão e umidade, usando a equação de estado para o ar (uma forma da lei dos gases ideais). A densidade atmosférica diminui com o aumento da altitude. Esta variação pode ser aproximadamente modelada utilizando a equação barométrica. Modelos mais sofisticados são usados para prever a decaimento orbital dos satélites. A massa média da atmosfera é de cerca de 5 quatrilhões (5x1015) de toneladas, ou cerca de 1/1 200 000 a massa da Terra. Segundo o Centro Nacional de Pesquisas Atmosféricas dos Estados Unidos, "A massa média total da atmosfera é de 5,1480 × 1021g, com uma variação anual, devido às diferentes concentrações de vapor de água, que varia entre 1,2 e 1,5 × 1018g, dependendo dos dados da pressão atmosférica superfície ou de vapor de água utilizados, pouco menor do que a estimativa anterior. A massa média de vapor d'água é estimada em 1,27 × 1019g, e massa da atmosfera isenta de ar como 5,1352 ± 0,0003 × 1018 kg."
Fenômenos ópticos
A radiação (ou luz) solar é a energia que a Terra recebe do sol. A Terra também emite radiação de volta para o espaço, mas em comprimentos de onda mais longos, que não podemos ver. Parte da radiação emitida e é absorvida ou refletida pela atmosfera. Quando a luz passa através da atmosfera, os fótons interagem através da dispersão. Se a luz não interagir com a atmosfera, então ocorre a radiação direta e é o que nós vemos quando olhamos diretamente para o sol. A radiação indireta é a luz que é dispersa na atmosfera. Por exemplo, em um dia nublado, quando não conseguimos ver a nossa própria sombra, não há radiação direta, toda a luz visível é produto de radiação indireta. Devido a um fenômeno óptico conhecido como dispersão de Rayleigh, comprimentos de onda mais curtos (azul) se dispersam mais facilmente do que comprimentos de onda mais longos (vermelho). É por isso que o céu parece azul, resultado de radiação indireta que dá preferência aos comprimentos de onda que tendem ao azul. Também por isso, o pôr-do-sol é vermelho, porque o Sol está próximo do horizonte, e os raios solares têm que atravessar uma atmosfera mais espessa para chegar a nossa visão. Grande parte da luz azul é espalhada e neutralizada, deixando apenas a luz vermelha em um pôr-do-sol.
As camadas superiores do planeta refletem em torno de 40% da radiação solar. Dos 60% restantes, aproximadamente 17% são absorvidos pelas camadas inferiores, sendo que o ozônio interage e absorve os raios ultravioleta. O dióxido de carbono e o vapor de água absorvem os raios infravermelhos. Restam 43% da energia solar, e esta alcança a superfície do planeta, que por sua vez reflete dez por cento das radiações solares de volta para o espaço. Além dos efeitos descritos, existe ainda a influência do vapor de água e sua concentração variável. Estes, juntamente com a inclinação dos raios solares em função da latitude, agem de forma decisiva na penetrância da energia solar, que por sua vez tem aproximadamente 33% da energia absorvida por toda a superfície atingida durante o dia, sendo uma parte muito pequena desta reirradiada durante a noite. Existe ainda a influência e interação dos oceanos com a atmosfera em sua autorregulação. Estes mantêm um equilíbrio dinâmico entre os fenômenos climáticos das diferentes regiões da Terra.
Podemos compreender razoavelmente a história da atmosfera da Terra até há um bilhão anos atrás. Regredindo no tempo, podemos somente especular, pois, é uma área ainda em constante pesquisa.
Primeira atmosfera
A primeira atmosfera era composta principalmente por hélio e hidrogênio. O calor provindo da crosta terrestre ainda em forma de plasma, e o Sol, a dissiparam.
Segunda atmosfera
Há evidências de que existia água em estado líquido na superfície terrestre há pelo menos 3,8 bilhões de anos, comprovados pela coleta de sedimentos que datam daquela época. 400 milhões de anos mais tarde, praticamente não havia oxigênio livre e era composta quase que integralmente por nitrogênio e compostos de carbono. Era aproximadamente 100 vezes mais densa do que a atmosfera atual, embora a existência de vida, que é comprovada a partir de 3,5 bilhões de anos, já interferia na composição da antiga atmosfera. O sol emitia cerca de 30% menos radiação do que atualmente, mas as evidências geológicas comprovam que existiam oceanos líquidos sobre a superfície terrestre naquela época. Esta discrepância, conhecida como o paradoxo do jovem Sol fraco, pode evidenciar que o efeito estufa naquela época era muito maior do que atualmente.
Terceira atmosfera
Com a acreção dos continentes há cerca de 3,5 bilhões de anos. O movimento das placas tectônicas rearranjou continuamente os continentes e também moldaram a evolução do clima, permitindo a transferência do gás carbônico atmosféricos para grandes depósitos orgânicos continentais. Embora a produção de oxigênio por organismos seja tão antiga quanto 3 bilhões de anos, o oxigênio livre na atmosfera não existia até pelo menos há 1,7 bilhões/mil milhões de anos; o que pode ser verificado pela formação de óxido de ferro em sedimentos e o fim da sedimentação do ferro em estado elementar. Foi o fim da atmosfera redutiva para a atmosfera oxidante. A partir de então, a quantidade de oxigênio na atmosfera terrestre manteve-se estável em 5% até 600 milhões de anos atrás, mas alcançou um pico de 35% há 300 milhões de anos. Desde então, a quantidade de oxigênio na atmosfera sofreu flutuações até se estabilizar em 21% atualmente.
