8.3: Atmosfera da Terra

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Diferencie entre as várias camadas atmosféricas da Terra
• Descreva a composição química e as possíveis origens da nossa atmosfera
• Explique a diferença entre clima e clima

Vivemos no fundo do oceano de ar que envolve nosso planeta. A atmosfera, pesando sobre a superfície da Terra sob a força da gravidade, exerce uma pressão ao nível do mar que os cientistas definem como 1 bar (um termo que vem da mesma raiz do barômetro, um instrumento usado para medir a pressão atmosférica). Uma barra de pressão significa que cada centímetro quadrado da superfície da Terra tem um peso equivalente a 1,03 kg pressionando-o. Os humanos evoluíram para viver sob essa pressão; diminua ou suba muito a pressão e não funcionaremos bem.

A massa total da atmosfera da Terra é de cerca de 5 × 10 ¹⁸ kg. Parece um número grande, mas é apenas cerca de um milionésimo da massa total da Terra. A atmosfera representa uma fração menor da Terra do que a fração de sua massa representada pelo cabelo em sua cabeça.

Estrutura da atmosfera

A estrutura da atmosfera é ilustrada na Figura\(\PageIndex{1}\). A maior parte da atmosfera está concentrada perto da superfície da Terra, cerca dos 10 quilômetros mais baixos, onde as nuvens se formam e os aviões voam. Dentro dessa região — chamada de troposfera — o ar quente, aquecido pela superfície, sobe e é substituído por correntes descendentes de ar mais frio; este é um exemplo de convecção. Essa circulação gera nuvens e vento. Dentro da troposfera, a temperatura diminui rapidamente com o aumento da elevação para valores próximos a 50° C abaixo de zero em seu limite superior, onde a estratosfera começa. A maior parte da estratosfera, que se estende até cerca de 50 quilômetros acima da superfície, é fria e livre de nuvens.

Figura\(\PageIndex{1}\) Estrutura da atmosfera da Terra. A altura aumenta no lado esquerdo do diagrama, e os nomes das diferentes camadas atmosféricas são mostrados à direita. Na ionosfera superior, a radiação ultravioleta do Sol pode retirar elétrons de seus átomos, deixando a atmosfera ionizada. A linha vermelha curva mostra a temperatura (veja a escala no eixo x).

Perto do topo da estratosfera está uma camada de ozônio (O ₃), uma forma pesada de oxigênio com três átomos por molécula em vez dos dois usuais. Como o ozônio é um bom absorvedor da luz ultravioleta, ele protege a superfície de algumas das perigosas radiações ultravioletas do Sol, possibilitando a existência de vida na Terra. A quebra do ozônio adiciona calor à estratosfera, revertendo a tendência de diminuição da temperatura na troposfera. Como o ozônio é essencial para nossa sobrevivência, reagimos com preocupação justificável às evidências que ficaram claras na década de 1980 de que o ozônio atmosférico estava sendo destruído pelas atividades humanas. Por acordo internacional, a produção de produtos químicos industriais que causam o esgotamento do ozônio, chamados clorofluorcarbonos, ou CFCs, foi eliminada gradualmente. Como resultado, a perda de ozônio parou e o “buraco de ozônio” sobre a Antártica está diminuindo gradualmente. Este é um exemplo de como uma ação internacional concertada pode ajudar a manter a habitabilidade da Terra.

Visite o estúdio de visualização científica da NASA para ver um pequeno vídeo do que teria acontecido com a camada de ozônio da Terra em 2065 se os CFCs não tivessem sido regulamentados.

Em alturas acima de 100 quilômetros, a atmosfera é tão fina que satélites em órbita podem passar por ela com pouquíssimo atrito. Muitos dos átomos são ionizados pela perda de um elétron, e essa região costuma ser chamada de ionosfera. Nessas elevações, átomos individuais podem ocasionalmente escapar completamente do campo gravitacional da Terra. Há um vazamento contínuo e lento da atmosfera, especialmente de átomos leves, que se movem mais rápido do que os pesados. A atmosfera da Terra não pode, por exemplo, reter por muito tempo o hidrogênio ou o hélio, que escapam para o espaço. A Terra não é o único planeta a sofrer vazamento na atmosfera. O vazamento atmosférico também criou a fina atmosfera de Marte. A atmosfera seca de Vênus evoluiu porque sua proximidade com o Sol vaporizou e dissociou qualquer água, com os gases componentes perdidos no espaço.

Composição e origem atmosféricas

Na superfície da Terra, a atmosfera consiste em 78% de nitrogênio (N ₂), 21% de oxigênio (O ₂) e 1% de argônio (Ar), com traços de vapor de água (H ₂ O), dióxido de carbono (CO ₂) e outros gases. Quantidades variáveis de partículas de poeira e gotículas de água também são encontradas suspensas no ar.

Um censo completo dos materiais voláteis da Terra, no entanto, deve analisar mais do que o gás que está presente agora. Os materiais voláteis são aqueles que evaporam a uma temperatura relativamente baixa. Se a Terra estivesse um pouco mais quente, alguns materiais que agora são líquidos ou sólidos poderiam se tornar parte da atmosfera. Suponha, por exemplo, que nosso planeta tenha sido aquecido acima do ponto de ebulição da água (100° C ou 373 K); essa é uma grande mudança para os humanos, mas uma pequena mudança em comparação com a faixa de temperaturas possíveis no universo. A 100 °C, os oceanos ferveriam e o vapor de água resultante se tornaria parte da atmosfera.

Para estimar quanto vapor de água seria liberado, observe que há água suficiente para cobrir toda a Terra até uma profundidade de cerca de 300 metros. Como a pressão exercida por 10 metros de água é igual a cerca de 1 bar, a pressão média no fundo do oceano é de cerca de 300 bar. A água pesa o mesmo, seja na forma líquida ou de vapor; portanto, se os oceanos ferverem, a pressão atmosférica da água ainda seria de 300 bar. A água, portanto, dominaria muito a atmosfera da Terra, com nitrogênio e oxigênio reduzidos ao status de constituintes vestigiais.

Em uma Terra mais quente, outra fonte de atmosfera adicional seria encontrada nas rochas carbonáticas sedimentares da crosta. Esses minerais contêm dióxido de carbono abundante. Se todas essas rochas fossem aquecidas, elas liberariam cerca de 70 bar de CO2, muito mais do que a pressão atual de CO ₂ de apenas 0,0005 bar. Assim, a atmosfera de uma Terra quente seria dominada pelo vapor de água e dióxido de carbono, com uma pressão superficial próxima a 400 bar.

Várias linhas de evidência mostram que a composição da atmosfera da Terra mudou ao longo da história do nosso planeta. Os cientistas podem inferir a quantidade de oxigênio atmosférico, por exemplo, estudando a química dos minerais que se formaram em vários momentos. Examinaremos esse problema com mais detalhes posteriormente neste capítulo.

Hoje vemos que CO _{2, H 2} O, dióxido de enxofre (SO ₂) e outros gases são liberados das profundezas da Terra por meio da ação de vulcões. (Para o CO ₂, a principal fonte hoje é a queima de combustíveis fósseis, que libera muito mais CO ₂ do que o das erupções vulcânicas.) Muito desse gás aparentemente novo, no entanto, é material reciclado que foi subduzido por meio de placas tectônicas. Mas de onde veio a atmosfera original do nosso planeta?

Existem três possibilidades para a fonte original da atmosfera e dos oceanos da Terra: (1) a atmosfera poderia ter sido formada com o resto da Terra à medida que se acumulava a partir de detritos que sobraram da formação do Sol; (2) poderia ter sido liberada do interior por meio de atividade vulcânica, subsequente à formação da Terra; ou (3) pode ter sido derivada de impactos de cometas e asteróides das partes externas do sistema solar. As evidências atuais favorecem uma combinação do interior e das fontes de impacto.

Clima e clima

Todos os planetas com atmosferas têm clima, que é o nome que damos à circulação da atmosfera. A energia que alimenta o clima é derivada principalmente da luz solar que aquece a superfície. Tanto a rotação do planeta quanto as mudanças sazonais mais lentas causam variações na quantidade de luz solar que atinge diferentes partes da Terra. A atmosfera e os oceanos redistribuem o calor das áreas mais quentes para as mais frias. O clima em qualquer planeta representa a resposta de sua atmosfera às mudanças nas entradas de energia do Sol (veja a Figura\(\PageIndex{2}\) para um exemplo dramático).

Figura\(\PageIndex{2}\) Tempestade do Espaço: Esta imagem de satélite mostra o furacão Irene em 2011, pouco antes da tempestade atingir a terra na cidade de Nova York. A combinação do eixo de rotação inclinado da Terra, rotação moderadamente rápida e oceanos de água líquida pode levar a um clima violento em nosso planeta.

Clima é um termo usado para se referir aos efeitos da atmosfera que duram décadas e séculos. As mudanças no clima (em oposição às variações aleatórias do clima de um ano para o outro) costumam ser difíceis de detectar em curtos períodos de tempo, mas, à medida que se acumulam, seus efeitos podem ser devastadores. Um ditado é que “o clima é o que você espera e o clima é o que você obtém”. A agricultura moderna é especialmente sensível à temperatura e às chuvas; por exemplo, cálculos indicam que uma queda de apenas 2 °C durante a estação de crescimento reduziria a produção de trigo pela metade no Canadá e nos Estados Unidos. No outro extremo, um aumento de 2° C na temperatura média da Terra seria suficiente para derreter muitas geleiras, incluindo grande parte da cobertura de gelo da Groenlândia, elevando o nível do mar em até 10 metros, inundando muitas cidades e portos costeiros e colocando pequenas ilhas completamente submersas.

As mudanças mais bem documentadas no clima da Terra são as grandes eras glaciais, que reduziram a temperatura do hemisfério norte periodicamente nos últimos meio milhão de anos ou mais (Figura\(\PageIndex{3}\)). A última era glacial, que terminou há cerca de 14.000 anos, durou cerca de 20.000 anos. Em seu auge, o gelo tinha quase 2 quilômetros de espessura sobre Boston e se estendia até o sul da cidade de Nova York.

Figura da Era do\(\PageIndex{3}\) Gelo. Esta imagem gerada por computador mostra as áreas congeladas do hemisfério norte durante as eras glaciais passadas, do ponto de vista de observar o Pólo Norte. A área em preto indica a glaciação mais recente (cobertura por geleiras), e a área em cinza mostra o nível máximo de glaciação já alcançado.

Essas eras glaciais foram principalmente o resultado de mudanças na inclinação do eixo rotacional da Terra, produzidas pelos efeitos gravitacionais dos outros planetas. Temos menos certeza sobre as evidências de que pelo menos uma vez (e talvez duas vezes) há cerca de um bilhão de anos, o oceano inteiro congelou, uma situação chamada Terra bola de neve.

O desenvolvimento e a evolução da vida na Terra também produziram mudanças na composição e na temperatura da atmosfera do nosso planeta, como veremos na próxima seção.

Conceitos principais e resumo

A atmosfera tem uma pressão superficial de 1 bar e é composta principalmente por\(N_2\) e\(O_2\), além de gases residuais importantes como\(H_2O\)\(CO_2\),,\(O_3\) e. Sua estrutura consiste na troposfera, estratosfera, mesosfera e ionosfera. Alterar a composição da atmosfera também influencia a temperatura. A circulação atmosférica (clima) é impulsionada pela mudança sazonal da deposição da luz solar. Muitas variações climáticas de longo prazo, como as eras glaciais, estão relacionadas a mudanças na órbita e na inclinação axial do planeta.

Glossário

barra

uma força de 100.000 Newtons atuando em uma área de superfície de 1 metro quadrado; a pressão média da atmosfera da Terra ao nível do mar é de 1,013 bar

ozônio

(\(\ce{O3}\)) uma molécula pesada de oxigênio que contém três átomos em vez dos dois mais normais

estratosfera

a camada da atmosfera da Terra acima da troposfera e abaixo da ionosfera

troposfera

o nível mais baixo da atmosfera da Terra, onde ocorre a maioria das condições climáticas