O nosso planeta é completamente envolvido por uma fina camada gasosa à qual damos o nome de atmosfera. É a ação do campo gravitacional da Terra que mantém essa camada gasosa em volta do nosso planeta.
A atmosfera terrestre alcança uma altura de mais de 560 quilômetros acima da sua superfície. Se compararmos isso com o raio do nosso planeta, cerca de 6367 quilômetros, vemos que a nossa atmosfera é uma capa gasosa muito fina, equivalente a apenas 8% da estrutura global Terra-atmosfera.
Por ser uma distribuição gasosa, não possui um limite bem definido. À medida que nos afastamos da superfície do nosso planeta a atmosfera vai, lentamente, se tornando cada vez mais rarefeita e desaparece no espaço interplanetário. Não há um limite definido entre a atmosfera e o espaço exterior.
Para definir o limite entre a nossa atmosfera e o espaço exterior a Federação Aeronáutica Internacional (FAI, sigla em inglês) criou a chamada Linha de Karman, que é um limite convencionado que fica a uma altitude de 100 quilômetros acima do nível do mar, usado para definir o limite entre a atmosfera terrestre e o espaço exterior. Além disso, a partir desse limite há um rápido aumento na temperatura da atmosfera e uma forte interação com a radiação proveniente do Sol.
A composição da nossa atmosfera
O fino envoltório de ar que circunda o nosso planeta é uma mistura de gases em que cada um deles mantém suas próprias propriedades físicas.
Essa mistura gasosa está longe de ser dividida em partes iguais. Dois elementos químicos, o nitrogênio e o oxigênio, constituem cerca de 99% do volume total de ar. O restante, cerca de 1%, é formado por vestígios de outros gases, sendo que o mais predominante deles é o argônio, um elemento gasoso inerte.
Ao contrário do que muitos pensam, excetuando-se o nitrogênio e o oxigênio, o restante dos gases, que estão presentes somente em quantidades pequenas na atmosfera terrestre, são muito importantes para a manutenção da vida no nosso planeta. Dois deles em particular, o dióxido de carbono e o ozônio, podem ter um grande impacto sobre os processos atmosféricos.
Um outro gás, o vapor de água, também existe em pequenas quantidades na atmosfera do nosso planeta. Ele varia em concentração sendo quase não existente sobre as regiões desérticas mas atingindo cerca de 4% sobre os oceanos. O vapor de água é importante para a produção do clima uma vez que ele existe nas fases gasosa, líquida e sólida e absorve a energia radiante proveniente da Terra.
A energia solar incidente sobre a Terra é parte absorvida pela crosta e parte refletida para a atmosfera. Essa energia adicionada àquela gerada no interior da Terra é transferida para a sua atmosfera por meio de três processos:
- Condução
- Convecção
- Radiação
Por exemplo, o processo de condução de calor é aquele que você sente quando segura a alça de metal de uma panela que está sendo aquecida. O processo de convecção é visto em um líquido em ebulição: bolhas de alta temperatura são formadas no fundo do recipiente e se deslocam para a superfície. Deste modo a maior energia existente no fundo do recipiente é trazida para a parte do líquido que está mais próxima da superfície.
O processo de radiação pode ser sentido quando aproximamos nossa mão da boca acesa de um fogão. Não precisamos tocá-la para saber que ela está acesa. A energia é irradiada e atravessa o espaço existente entre o fogo e a nossa mão nos avisando do perigo de uma aproximação maior.
Um dos principais processos de circulação de energia na atmosfera da Terra é produzido pelas chamadas correntes de condução de calor. O ar aquecido junto ao solo sobe para a parte superior da atmosfera enquanto que o ar frio das suas camadas superiores desce na direção do solo. Isso ocorre em toda a atmosfera e essa circulação é responsável por vários fenômenos climáticos. Tanto os tornados como os furacões são criados por processos que envolvem essa circulação de ar quente e frio.
A imagem abaixo mostra como essa troca de calor ocorre globalmente na atmosfera da Terra:
A tabela abaixo detalha a composição química percentual da atmosfera seca da Terra. A sigla ppmv signica quantas partes do elemento químico é encontrada por milhão no volume atmosférico (ppmv = partes por milhão por volume):
Encontramos também na atmosfera da Terra uma quantidade altamente variável de vapor d'água (H2O). Em geral essa quantidade cresce tipicamente até o valor de cerca de 1%.
O ozônio e o dióxido de carbono são os gases que estão relacionados com o chamado "efeito estufa".
A massa molecular média do ar é de 28,97 gramas por mol.
A variação da composição atmosférica com a altitude
Podemos dizer que há uma linha demarcadora a cerca de 100 quilômetros de altitude na nossa atmosfera, a "linha Karman" que definimos anteriormente. Abaixo dessa altitude a atmosfera da Terra tem uma composição química mais ou menos uniforme, com a única exceção do vapor d'água.
Acima de 100 quilômetros de altitude a atmosfera do nosso planeta começa a ter uma composição química que varia com a altitude considerada. Ocorre que em altitudes superiores a essa não ocorrem mais os processos de mixagem característicos das partes mais baixas da atmosfera. Na ausência dessa mixagem a densidade de um determinado gás cai exponencialmente com o aumento da temperatura. Essa taxa de diminuição de densidade é característica de cada gás pois ela depende da massa molecular do gás.
Os gases cujos elementos possuem maior massa, tais como o oxigênio e o nitrogênio, têm a sua densidade diminuída mais rapidamente do que os elementos mais leves tais como o hélio, hidrogênio molecular e hidrogênio atômico.
A essa camada da atmosfera da Terra que tem uma composição variável com a altitude damos o nome de heterosfera.
À medida que vamos para altitudes cada vez maiores a nossa atmosfera passa a ser dominada sucessivamente por hélio, hidrogênio molecular e hidrogênio atômico.
A precisa altitude onde está localizada a heterosfera, assim como as camadas que ela contém, varia significantemente com a temperatura.
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