UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO CENTRO DE CIÊNCIAS MATEMÁTICAS E DA NATUREZA

INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE METEOROLOGIA

A Terra e sua Atmosfera1

POR

MARIA GERTRUDES ALVAREZ JUSTI DA SILVA

RIO DE JANEIRO, RJ NOVEMBRO, 1998

_______________________ 1Tradução com finalidade didática de: AHRENS, A. D. Essentials of Meteorology: an invitation to the atmosphere. West Publishing Company, New York, 1993. Cap. 1, p 1-22.

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A Terra e sua Atmosfera Visão Geral da Atmosfera Terrestre Composição da Atmosfera A Atmosfera Primitiva Estrutura Vertical da Atmosfera Uma Olhada Rápida na Pressão Atmosférica e na Densidade do Ar Camadas da Atmosfera O Dilema do Ozônio na Estratosfera A Ionosfera Tempo e Clima Meteorologia – a Ciência da Atmosfera Uma Visão do Tempo através dos Satélites Tempestades de todos os Tamanhos Uma Visão do Mapa do Tempo O Tempo e o Clima em Nossas Vidas Resumo Termos Chave Questões de Revisão

Nossa atmosfera é um delicado manto de ar protetor circundando a terra. De um jeito ou de outro, ela influencia tudo que vemos e ouvimos -- está intimamente conectada com nossas vidas. O ar está conosco desde o nosso nascimento e não podemos nos separar dele. Ao ar livre podemos nos deslocar por milhares de quilômetros em qualquer direção horizontal, mas se nos deslocarmos apenas por uns 8 quilômetros acima da superfície, sufocaremos. Podemos sobreviver sem comida por algumas poucas semanas, ou sem água por alguns dias, mas sem nossa atmosfera, não sobreviveremos mais do que por alguns minutos. Assim como os peixes estão confinados ao seu meio que é a água, do mesmo modo nós estamos confinados ao nosso oceano de ar. Em qualquer lugar que queiramos ir, ele tem que ir conosco. A terra sem uma atmosfera não teria lagos nem oceanos. Não haveria som, nem nuvens, nem um lindo nascer do sol avermelhado. Esta bonita página de abertura do céu estaria ausente. Seria inimaginavelmente frio à noite e desagradavelmente quente durante o dia. Todas as coisas na terra estariam a mercê de uma intensa radiação solar atingindo um planeta completamente seco.

Vivendo na superfície da terra, nós estamos tão completamente adaptados ao nosso meio atmosférico que as vezes esquecemos quão importante é esta substância. Mesmo sendo o ar insípido, sem odor e (na maioria das vezes) invisível, ele nos protege com uma mistura de gases que permite que a vida floresça. Porque não podemos vê-lo, cheirá-lo, ou sentir seu gosto, parece-nos surpreendente que entre nossos olhos e as páginas deste livro existam trilhões de moléculas de ar. Algumas delas poderiam estar em uma nuvem ainda ontem, ou sobre outro continente na semana passada, ou talvez fosse parte da respiração de alguém que viveu há séculos atrás. Visão Geral da Atmosfera Terrestre

A atmosfera da terra é um fino invólucro gasoso composto principalmente de nitrogênio (N2) e oxigênio (O2), com pequenas quantidades de outros gases, tais como vapor d'água (H2O) e dióxido de carbono (CO2). Aninhadas na atmosfera estão as nuvens de água líquida e de cristais de gelo.

A fina camada de ar azul no horizonte na Fig. 1.1 representa a parte mais densa da atmosfera. Embora nossa atmosfera se estenda na vertical por centenas de quilômetros, quase 99 porcento da atmosfera fica dentro da camada com cerca de 30 quilômetros da superfície da terra. Este fino manto de ar protege constantemente a superfície e seus habitantes da perigosa radiação ultra violeta do sol, assim como do bombardeio de material proveniente do espaço interplanetário. Não existe limite superior definido para a atmosfera; ela se torna cada vez mais tênue, eventualmente se misturando com o espaço vazio, que circunda todos os planetas. Composição da atmosfera – A tabela 1.1 mostra os vários gases presentes em um volume de ar perto da superfície da terra. Note que o nitrogênio ocupa 78 porcento e o oxigênio cerca de 21 porcento de volume total. Se todos os outros gases fossem removidos, este percentual de nitrogênio e oxigênio permaneceria aproximadamente constante até uma altura de cerca de oitenta quilômetros.

Na superfície existe um equilíbrio entre a destruição (saída) e produção (chegada) destes gases. Por exemplo, o nitrogênio é removido da atmosfera principalmente através de processos biológicos que envolvem bactérias do solo. Ele retorna à atmosfera principalmente através da decomposição de matéria de animais e plantas. O oxigênio, por outro lado, é removido da atmosfera quando a matéria orgânica decai e quando o oxigênio combina com outras substâncias, produzindo óxidos. Ele também é retirado da atmosfera durante a respiração, quando os pulmões absorvem oxigênio e liberam dióxido de carbono. A adição de oxigênio para a atmosfera ocorre durante

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a fotossíntese, quando as plantas, em presença da luz solar, combina dióxido de carbono e água para produzir açúcar e oxigênio. A concentração do gás invisível vapor d'água, entretanto, varia grandemente de um lugar para o outro e de instante para instante. Perto da superfície em locais tropicais quentes, o vapor d'água pode chegar a 4 porcento dos gases da atmosfera, enquanto que em áreas polares frias, sua concentração pode se reduzir a uma fração de um porcento (ver Tabela 1.1). As moléculas de vapor d'água são, naturalmente, invisíveis. Elas se tornam visíveis somente quando se transformam em grandes partículas líquidas ou sólidas, tais como gotas de nuvens e cristais de gelo. A mudança do vapor d'água para água líquida é chamada de condensação, enquanto que o processo de transformação de líquido para vapor é chamado de evaporação. Na baixa atmosfera, a água está em toda parte. É a única substância que existe na forma de gás, líquido ou sólido nas temperaturas e pressões normalmente encontradas perto na superfície da terra (ver Fig. 1.2). O vapor d'água é um elemento da atmosfera extremamente importante. Não somente se transforma em partículas de nuvens líquidas ou sólidas e crescem de tamanho caindo em forma de precipitação sobre a terra, mas também liberam grandes quantidades de calor - chamado de calor latente - quando muda de vapor para água líquida ou gelo. O calor latente é uma importante fonte de energia atmosférica, especialmente para tempestades, tais como trovoadas e furacões. Além disso, o vapor é um potente gás do efeito estufa porque absorve fortemente uma porção da energia radiante que sai da terra (do mesmo modo que o vidro das estufas das plantas evita a perda de calor e a mistura com o ar externo). Assim, o vapor d'água tem um significado importante no balanço (equilíbrio) de energia da terra. O dióxido de carbono (CO2), um componente natural da atmosfera, ocupa uma porcentagem pequena (mas importante) do volume do ar, cerca de 0,035 porcento. O dióxido de carbono entra na atmosfera principalmente a partir do decaimento da vegetação, mas ele vem também das erupções vulcânicas, da exalação da vida animal, da queima de combustíveis fósseis (tais como carvão, óleo e gás natural) e do desflorestamento. A remoção do CO2 da atmosfera ocorre durante a fotossíntese, quando as plantas consomem CO2 para produzir matéria verde. O CO2 é então estocado nas raízes, galhos e folhas. O oceanos atuam como um reservatório para o CO2, na medida que os fitoplânctons na superfície da água fixam CO2 nos seus tecidos orgânicos. O dióxido de carbono que dissolve diretamente na superfície da água se mistura para baixo e circula através de grandes profundidades. As estimativas são de que os oceanos estocam mais do que cinqüenta vezes o total do conteúdo de CO2 da atmosfera. A Figura 1.3 revela que a concentração de CO2 na atmosfera cresceu mais do que 10 porcento

desde 1958, quando foi inicialmente medida no Observatório de Mauna Loa no Havaí. Este aumento parece ser devido à queima de combustíveis fósseis. Entretanto, o desflorestamento também desempenha um papel importante já que o corte dos troncos para queima ou mesmo quando deixado no campo, libera CO2 diretamente no ar, sendo responsável talvez por cerca de 20 porcento do aumento observado. Os cientistas especulam que os níveis de CO2 na atmosfera aumentaram em mais de 25 porcento desde o início do século dezenove. Com os níveis de CO2 presentemente aumentando em cerca de 0,4 porcento anualmente, os cientistas agora estimam que a concentração de CO2 irá dobrar do valor atual (355 ppm) até o final do século vinte e um. O dióxido de carbono é outro importante gás do efeito estufa porque ele, assim como o vapor d’água, absorve uma porção da energia infravermelha radiante proveniente da terra. Consequentemente, como a concentração de CO2 está aumentando, assim também ocorre com a média global da temperatura do ar à superfície. A maioria dos experimentos com modelos matemáticos que prevêem as condições atmosféricas futuras estimam que se dobrar a quantidade de CO2, isto irá resultar num aquecimento global do ar à superfície de 2 a 50 C. Tal aquecimento poderá reduzir a quantidade e a qualidade dos reservatórios de água (especialmente no oeste dos Estados Unidos) já que a maioria das correntes globais de ar que guiam os maiores sistemas de tempestades ao redor da terra começaram a se desviar de seus cursos “normais”. (O capítulo 13 examina o fenômeno do aquecimento global em maior profundidade). O dióxido de carbono e o vapor d’água não são os únicos gases do efeito estufa. Recentemente, outros têm ganho notoriedade, primeiramente porque eles também estão se tornando mais concentrados. Tais gases incluem o metano (CH4), o óxido nitroso (N2O) e os clorofluorcarbonos (CFC’s). Por sua pequena quantidade na atmosfera estes gases são conhecidos coletivamente como “gases traço”. Os níveis de metano, por exemplo, têm crescido na última década, aumentado cerca de meio porcento ao ano. A maioria do metano parece derivar da quebra do material das plantas em plantações de arroz em solos pobres em oxigênio, e de reações bioquímicas no estômago das vacas. Exatamente porque o metano cresce tão rapidamente é que está atualmente sob estudo. Níveis de óxido nitroso - comumente conhecido como gás hilariante - têm crescido anualmente a uma taxa de 0,25 porcento. O óxido nitroso se forma no solo através de um processo químico envolvendo bactérias e certos micróbios. A radiação ultravioleta do sol o destroi. Os clorofluorcabonos representam um grupo de gases do efeito estufa que também têm aumentado sua concentração. Estes tem sido os propelentes mais usados em tubos de spray. Hoje

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em dia, entretanto, eles tem sido principalmente usados em processos de refrigeração, como isolantes e como solventes de microcircuitos eletrônicos. Embora sua concentração média em um volume de ar seja bastante pequena (ver Tabela 1.1), estes são os gases de crescimento mais rápido entre os do efeito estufa, crescendo a uma taxa de 4 a 11 porcento por ano. Além disso, os CFC’s não somente tem o potencial de aumentar a temperatura global mas também tomam parte na destruição da camada de ozônio. Na superfície, o ozônio (O3) é o principal ingrediente do smog fotoquímico, que irrita os olhos e a garganta e prejudica a vegetação. Mas a maioria do ozônio na atmosfera (cerca de 97 porcento) é encontrado na atmosfera superior - na estratosfera - onde é formado naturalmente, quando átomos de oxigênio combinam com moléculas de oxigênio. Ali a concentração de ozônio tem uma média de menos do que 0,002 porcento por volume. Esta pequena quantidade é importante, entretanto, porque atua como um escudo para os raios ultravioleta do sol prejudiciais às plantas, animais e ao homem. É paradoxal que o ozônio, que danifica as plantas em um meio ambiente poluído, forneça um escudo natural protetor na atmosfera superior de tal modo que as plantas na superfície possam sobreviver. Vamos falar brevemente de como os CFC’s injetados na estratosfera podem destruir o equilíbrio da camada de ozônio e como esta camada pode gradualmente decrescer. Impurezas de origem humana ou natural estão também presentes na atmosfera. O vento levanta poeira e outras partículas do solo e as carrega para cima. Pequenas gotas de água salgada das ondas do mar são levadas para o ar. Depois da evaporação estas gotas deixam microscópicas partículas de sal suspensas no ar. Fumaça proveniente de incêndios florestais elevam-se até bem longe da superfície e os vulcões introduzem toneladas de finas partículas e gases no ar (fig. 1.4). Coletivamente, estas pequenas partículas sólidas ou líquidas de várias composições são chamadas de aerossóis. Algumas impurezas naturais encontradas na atmosfera são bastante benéficas. Pequenas partículas flutuantes, por exemplo, atuam como superfícies nas quais o vapor d'água se condensa para formar as nuvens. Entretanto, a maioria das impurezas feitas pelo homem (a até mesmo algumas naturais) são um incômodo, assim como prejudiciais à saúde. Estes são chamados poluentes. Por exemplo, os motores de automóveis emitem grandes quantidades de dióxido de nitrogênio (NO2), monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos. O gás dióxido de nitrogênio geralmente dá à atmosfera uma cor escura, marrom clara. Na luz do sol, ele reage com os hidrocarbonetos e outros gases para produzir ozônio. O monóxido de carbono é o maior poluente do ar das cidades. Embora sem cor e inodoro, este venenoso gás se forma durante a combustão incompleta de combustíveis que contém carbono. Deste modo, 75 porcento do monóxido de

carbono em áreas urbanas tem sua origem nos veículos. A queima de combustíveis que contém enxofre (tais como carvão e óleo) libera para o ar o gás incolor dióxido de enxofre (SO2). Quando a atmosfera está suficientemente úmida, o SO2 pode se transformar em finas gotas diluídas de ácido sulfúrico. A chuva que contém ácido sulfúrico corrói metais e superfícies pintadas e torna a água ácida. A chuva ácida (mais detalhes no capítulo 12) é um dos maiores problemas do meio ambiente, principalmente na trajetória dos ventos que vêm das principais regiões industriais. Em adição, altas concentrações de SO2 produzem sérios problemas respiratórios para os seres humanos, tais como bronquites e efisemas, e têm efeitos adversos nas plantas. (Mais detalhes e informações sobre estes e outros gases poluentes será dada no capítulo 12). A Atmosfera Primitiva - A atmosfera que inicialmente envolveu a terra era provavelmente muito diferente do ar que nós respiramos hoje. A primeira atmosfera da terra (cerca de 4,5 bilhões de anos atrás) era composta de hidrogênio e hélio – os dois gases mais abundantes no universo – assim como de compostos de hidrogênio, tais como metano e amônia. A maioria dos cientistas acham que esta atmosfera inicial escapou para o espaço a partir da quente superfície da terra. Entretanto, uma segunda atmosfera mais densa gradualmente envolveu a terra na medida em que gases provenientes de rochas fundidas dentro de seu interior escapavam através de vulcões e jatos de vapor d’água. Podemos assumir que os vulcões expeliam os mesmos gases de hoje: em sua maioria vapor d'água (cerca de 80%), dióxido de carbono (cerca de 10%) e uns poucos porcentos de nitrogênio. Estes gases criaram provavelmente a segunda atmosfera da terra. Há centenas de milhões de anos atrás nossa atmosfera se esfriou. A constante emissão de gases a partir do interior aquecido, fornecia um rico suprimento de vapor d'água, que se transformavam em nuvens. Chuvas caíram na terra por muitos milhares de anos, formando os rios, lagos e os oceanos do mundo. Durante este tempo, grandes quantidades de CO2 se transformaram em rochas sedimentares de carbono tais como as rochas calcárias. Com a maior parte do vapor já condensada e com a quantidade de CO2 diminuindo, a atmosfera gradualmente tornou-se rica em nitrogênio (N2), que geralmente não é quimicamente ativo. Parece que o oxigênio (O2), o segundo gás mais abundante na atmosfera atual, provavelmente começou vagarosamente a aumentar sua concentração na medida em que os raios energéticos do sol começaram a dividir o vapor d'água (H2O) em moléculas de hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio, sendo mais leve, provavelmente subiu e escapou para o espaço, enquanto que o oxigênio permaneceu na atmosfera.

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Este vagaroso aumento no oxigênio deve ter providenciado a quantidade suficiente de gás necessária para as plantas primitivas evoluírem, talvez há 2 ou 3 bilhões de anos atrás. Ou as plantas podem ter evoluído em um meio ambiente quase sem oxigênio (anaeróbico). De qualquer maneira, o crescimento das plantas enriqueceu nossa atmosfera com oxigênio. A razão para isto é que, durante a fotossíntese, as plantas em presença da luz solar, combinam dióxido de carbono e água para produzir oxigênio. Portanto, depois que as plantas se desenvolveram, o conteúdo de oxigênio atmosférico aumentou rapidamente, alcançando sua composição presente há cerca de várias centenas de milhões de anos atrás. Estrutura Vertical da Atmosfera Um perfil vertical da atmosfera revela que ela pode ser dividida em uma série de camadas. Cada camada pode ser definida de várias maneiras: pela maneira pela qual a temperatura varia dentro dela, pelos gases que a compõem ou mesmo pelas suas propriedades elétricas. De qualquer maneira, antes de analisarmos estas várias camadas atmosféricas, nós precisamos observar o perfil vertical de duas importantes variáveis: a pressão e a densidade do ar. Uma Olhada Rápida na Pressão Atmosférica e na Densidade do Ar - As moléculas do ar (assim como todas as outras coisas) estão presas junto à terra pela gravidade. Esta intensa força invisível pressionando as moléculas de ar umas sobre as outras e comprimindo-as, faz com que haja um aumento do número de moléculas por volume quando nos aproximamos da superfície. Quanto mais ar acima de um nível, maior é o efeito de compressão. Já que a densidade do ar é o número de moléculas de ar em um dado espaço (volume), segue-se que a densidade do ar é maior na superfície e decresce na medida que nos movemos para cima na atmosfera. Note na Fig. 1.5 que, pelo fato de que o ar perto da superfície fica comprimido, a densidade normalmente decresce rapidamente inicialmente, e depois decresce mais vagarosamente na medida em que nos movemos para longe da superfície. As moléculas de ar têm peso. De fato, o ar é surpreendentemente pesado. O peso de todo o ar em torno da terra chega a 5600 trilhões de toneladas. O peso das moléculas de ar exerce uma força sobre a terra. A força exercida sobre uma área da superfície é chamada de pressão atmosférica ou, simplesmente, pressão do ar. A pressão em qualquer nível na atmosfera pode ser medida em termos do peso total do ar acima do ponto. Na medida em que nos elevemos, menos moléculas de ar estão acima de nós, por isso a pressão atmosférica sempre decresce com a altura. Assim como a densidade do ar, a pressão do ar decresce

rapidamente no início e depois mais vagarosamente (Ver Fig. 1.5). Se você pesar uma coluna de ar de 1 polegada quadrada de seção transversal, estendendo-se do nível médio do mar ao "topo" da atmosfera, ela pesará aproximadamente 14,7 libras. Assim, a pressão atmosférica normal perto do nível do mar é próxima de 14,7 libras por polegada quadrada. Se mais moléculas são acrescentadas na coluna, ela se tornará mais densa, o ar pesará mais e a pressão à superfície aumentará. Por outro lado, quando poucas moléculas estão na coluna, o ar pesa menos e a pressão à superfície é menor. Deste modo, uma mudança na densidade do ar pode trazer uma mudança na pressão do ar. Naturalmente, libras por polegada quadrada é uma maneira de expressar a pressão atmosférica. Entretanto, a unidade mais comum encontrada nas cartas sinóticas de superfície é o milibar (mb) ou hectopaschal (hPa). Uma outra unidade de pressão comum usada na aviação e nas informações de rádio e TV é a polegadas de mercúrio (Hg). No nível médio do mar, o valor médio ou padrão da pressão atmosférica é

1013,25 mb = 1013,25 hPa = 29,92 in Hg A Fig. 1.6 ilustra quão rapidamente a pressão do ar decresce com a altura. Perto do nível do mar, a pressão atmosférica cai rapidamente, enquanto que em altos níveis ela decresce mais vagarosamente. Com uma pressão ao nível do mar de 1000 milibares, vemos pela Fig. 1.6 que, a uma altitude de somente 5,5 quilômetros, a pressão do ar é cerca de 500 milibares, ou metade da pressão ao nível do mar, significando que, se você estiver a uns meros 6.000 m sobre a superfície, você estará acima da metade de todas as moléculas de ar da atmosfera. A uma elevação igual ao pico do Monte Everest (cerca de 9 km - a mais alta montanha da terra), a pressão do ar fica em torno de 300 mb. O topo está acima de cerca de 70 porcento das moléculas de ar da atmosfera. A uma altitude de cerca de 50 km, a pressão do ar é cerca de 1 mb, o que significa que 99,9 porcento de todas as moléculas estão abaixo deste nível. Ainda que a atmosfera se estenda para cima até milhares de quilômetros, gradualmente ela vai se tornando cada vez mais tênue até misturar-se com o espaço exterior. Camadas da Atmosfera - Nós vimos que tanto a pressão como a densidade do ar decrescem com a altura sobre a superfície - rapidamente a princípio e depois mais vagarosamente. A temperatura do ar, entretanto, tem um perfil vertical mais complicado. Observe a Fig. 1.7 e note que a temperatura do ar normalmente decresce desde a superfície da terra até uma elevação de cerca de 11 quilômetros. Este decréscimo na temperatura do ar com o aumento da altitude é devido principalmente ao fato (investigado mais profundamente no Capítulo 2) de que a luz do sol esquenta a superfície da terra, que por sua vez aquece o ar sobre ela. A taxa na qual a temperatura

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do ar decresce com a altura é conhecida como gradiente vertical de temperatura ("lapse rate"). O gradiente vertical médio (ou padrão) nesta região mais baixa da atmosfera é de cerca de 6,5 graus Celsius (0C) por cada 1000 metros de elevação. Fixe em sua mente que este valor é apenas um valor médio. Em alguns dias o ar resfria-se mais rapidamente na medida em que nos movemos para cima. Isto pode aumentar o gradiente vertical. Em outros dias a temperatura do ar pode decrescer mais vagarosamente com a altura, e neste caso o gradiente vertical será menor. Deste modo o gradiente vertical flutua, variando de dia para dia e de estação para estação do ano. Esta parte da atmosfera (desde a superfície até cerca de 11 quilômetros) contém tudo que em termos de tempo meteorológico consideramos familiar na terra. Nesta região é comum para as moléculas de ar circularem por extensões de mais de 10 km em apenas alguns dias. Esta região de circulação do ar que se estende para cima desde a superfície da terra até onde o ar para tornando-se mais frio com a altura é chamada de troposfera - do grego tropein, significando mudança. (O instrumento usado para medir o perfil vertical de temperatura do ar na atmosfera até elevações que excedem 30 km é a radiossonda. Mais informações sobre este instrumento são dadas na seção especial "Focus"). Note na Fig. 1.7 que acima de 11 km a temperatura do ar normalmente para de decrescer com a altura. Aqui o gradiente vertical de temperatura é zero. Esta região, onde a temperatura do ar permanece constante com a altura, é conhecida como uma região isotérmica (de igual temperatura). A base desta zona marca o topo da troposfera e o início de uma nova camada, a estratosfera. O limite de separação da troposfera e da estratosfera é chamado de tropopausa. A altura da tropopausa varia. É encontrada em altitudes maiores nas regiões equatoriais e tem elevações menores na medida em que nos dirigimos na direção dos pólos. Geralmente a tropopausa é mais alta no verão e mais baixa no inverno em todas as latitudes. Em algumas regiões a tropopausa "se rompe" e torna-se difícil localizá-la, neste caso, os cientistas tem observado a mistura do ar troposférico com o ar estratosférico e vice-versa. Estas quebras marcam também a posição das correntes de jato - ventos fortes que circulam em canais estreitos, tais como rios, freqüentemente com velocidades excedendo 100 nós1 (190 km/h). Da Fig. 1.7 podemos ver que, na estratosfera a uma altitude de 20 km, a temperatura do ar começa a aumentar com a altitude. Tal aumento da temperatura do ar com a altura é chamado de inversão térmica. A região de inversão, onde fica a camada isotérmica mais baixa, tende a evitar que as correntes verticais da troposfera se estendam para a estratosfera. A inversão tende também a reduzir a quantidade de

1 Um nó é igual a uma milha náutica por hora. Um nó é igual a 1,15 milhas por hora ou 1,9 quilômetros por hora.

movimento vertical na estratosfera por si só, já que ela mesma é uma camada estratificada. Embora a temperatura do ar esteja aumentando com a altura, o ar a uma altitude de 30 km é extremamente frio, tendo uma média de menos do que -460C. Neste nível, sobre as latitudes polares, a temperatura do ar pode mudar drasticamente de uma semana para a outra, com um aquecimento súbito que pode aumentar a temperatura do ar de uma semana para outra de até 500C. Este rápido aquecimento é provavelmente devido a um afundamento do ar associado com mudanças na circulação que ocorrem no final do inverno ou início da primavera. A razão da inversão na estratosfera é que o gás ozônio que é responsável pela maior parte do aquecimento nesta altitude. Lembrar que o ozônio é importante porque ele absorve energia solar ultravioleta (UV). Parte desta energia absorvida esquenta a estratosfera, o que explica porque existe a inversão. Se o ozônio não estivesse presente, o ar provavelmente se tornaria mais frio com a altura, como acontece na troposfera. Acima da estratosfera fica a mesosfera (esfera média). O ar é extremamente tênue e a pressão atmosférica é bastante baixa (ver Fig. 1.7). Mesmo assim a porcentagem de nitrogênio e de oxigênio na mesosfera é praticamente a mesma da superfície da terra, embora uma “respirada” na mesosfera contenha menos moléculas de oxigênio que na troposfera. Neste nível, sem equipamento de oxigênio adequado, o pulmão não terá oxigênio suficiente e a pessoa sufocará - uma condição conhecida como hipoxia. Com uma temperatura média de -900C, o topo da mesosfera representa a parte mais fria da atmosfera. A "camada quente" sobre a mesosfera é a termosfera. Aqui as moléculas de oxigênio (O2) absorvem os raios solares energéticos, aquecendo o ar. Na termosfera, existem relativamente poucos átomos e moléculas. Consequentemente, a absorção de uma pequena quantidade de energia solar pode causar um grande aumento na temperatura do ar (ver Fig. 1.8). Mesmo a temperatura na termosfera sendo excessivamente alta, uma pessoa abrigada do sol não sentirá necessariamente calor. A razão para este fato é que há tão poucas moléculas nesta região para se chocar com qualquer coisa (a pele exposta, por exemplo) e transferir energia para se sentir calor. A baixa densidade da termosfera também significa que a molécula do ar se moverá em média uma distância de 1 quilômetro antes de colidir com outra molécula. Uma molécula de ar similar na superfície da terra se moverá uma distância média de menos do que um milionésimo de centímetro antes de colidir com outra molécula. No topo da atmosfera, cerca de 500 km acima da superfície da terra, as moléculas podem se mover a distâncias maiores ainda antes de colidir com outras moléculas. Aqui, muitas das leves e rápidas moléculas viajando na direção correta realmente escapam do campo gravitacional da terra.

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A região onde os átomos e moléculas escapam para o espaço é denominada de exosfera, que representa o limite superior da nossa atmosfera. Até este ponto, nós examinamos as camadas da atmosfera baseados no perfil vertical de temperatura. A atmosfera, entretanto, pode também ser dividida em camadas baseadas na sua composição. Por exemplo, a composição da atmosfera começa vagarosamente a mudar na camada inferior da termosfera. Abaixo da termosfera, a composição do ar permanece bastante uniforme (78 porcento de nitrogênio, 21 porcento de oxigênio) através da troca turbulenta. Esta região bem misturada é conhecida como homosfera (Figura 1.8). Na termosfera, as colisões entre os átomos e as moléculas são pouco freqüentes e o ar é incapaz de se manter agitado. Como resultado, a difusão ocorre na medida em que os átomos e moléculas mais pesadas (tais como o nitrogênio e o oxigênio) tendem a permanecer no fundo da camada enquanto os gases mais leves (tais como o hidrogênio e o hélio) flutuam no topo. A região da base da termosfera até o topo da atmosfera é conhecida como heterosfera. O dilema do ozônio na estratosfera - No início deste capítulo aprendemos que a maior parte do ozônio da atmosfera é encontrado na estratosfera. Mesmo perto da altura de 25 km onde o ozônio é mais denso, sua concentração é muito baixa - existem cerca de 12 moléculas de ozônio para cada milhão de moléculas de ar. Embora tênue, esta camada de ozônio é significativa, por sua proteção aos habitantes da terra contra a radiação ultravioleta do sol. Esta proteção é muito importante porque a radiação ultravioleta tem energia suficiente para causar câncer de pele no ser humano. Se a concentração do ozônio na estratosfera decrescer, pode acontecer o seguinte: 1. um aumento no número de casos de câncer de

pele 2. um impacto adverso nas plantas e animais devido

a um aumento na radiação ultravioleta 3. um resfriamento na estratosfera que poderá

afetar as configurações do vento na estratosfera, possivelmente induzindo alguma forma de mudança climática na superfície.

O ozônio (O3) se forma naturalmente na estratosfera pela combinação do oxigênio atômico com o oxigênio molecular (O2) na presença de uma outra molécula. O ozônio é destruído naturalmente pela absorção de radiação solar ultravioleta (Fig. 1.9). O ozônio também é destruído pela colisão com outros gases, tais como o óxido nitroso, dióxido de nitrogênio e mesmo por outras moléculas de ozônio. Parece que as atividades humanas estão alterando a quantidade de ozônio na estratosfera. Esta possibilidade foi inicialmente trazida a luz no início dos anos 70 quando o Congresso Americano ponderou se os Estados Unidos deveria ou não construir aviões supersônicos. Um dos gases emitidos pelos motores das aeronaves é o óxido nítrico. Embora a aeronave fosse planejada para

voar na estratosfera abaixo do nível de quantidade máxima de ozônio, ponderou-se que este gás poderia eventualmente subir, onde então teria um efeito nocivo sobre o ozônio. Este foi um dos fatores dos muitos considerados quando o Congresso decidiu fazer parar o desenvolvimento da versão americana do transporte supersônico. Mais recentemente, este assunto envolveu a emissão de substâncias químicas a partir da superfície da terra, tais como os clorofluorcarbonos (CFC’s). Até o final da década de 70, quando os Estados Unidos baniu todos os usos não essenciais destes entes químicos, eles eram os mais comuns propelentes em recipientes de spray. Na troposfera estes gases são bastante seguros, sendo inflamáveis, não tóxicos e incapazes de combinar-se quimicamente com outras substâncias. No entanto estes gases vagarosamente se propagam para cima sem que sejam destruídos. Eles aparentemente entram na estratosfera (1) perto das quebras na tropopausa, especialmente nas proximidades das correntes de jato e (2) nas tempestades quando o topo das nuvens cumulonimbos penetram na baixa estratosfera. Uma vez que as moléculas de CFC entram na estratosfera média, a radiação ultravioleta que é normalmente absorvida pelo ozônio quebra estas moléculas, liberando o cloro neste processo (o cloro destroi rapidamente o ozônio). De fato, as estimativas são de que um simples átomo de cloro remove cerca de 100.000 moléculas de ozônio antes que sejam retirados do processo pela combinação com outra substância. Já que a vida média de uma molécula de CFC na estratosfera é cerca de 100 anos, qualquer crescimento na concentração de CFC é de ação duradoura e um real perigo à concentração de ozônio. Dado este fato e o conhecimento adicional de que os CFC’s contribuem para o efeito estufa na atmosfera, um acordo internacional assinado em 1987 - O Protocolo de Montreal - estabeleceu um tempo para a diminuição da emissão de CFC e o uso de composto de bromo (halogêneos) que destroem o ozônio a uma taxa dez vezes maior do que os compostos de cloro. Este acordo propõe uma diminuição de 50% na produção de CFC (comparando com os níveis de 1986) até o ano de 1999. Até que ponto esta redução ocorrerá depende de quão bem as nações que assinaram o tratado o cumpram e, naturalmente, dependerá também dos seus vizinhos que não assinaram o protocolo. Este protocolo prevê revisões científicas periódicas a fim de atualizar os dados e verificar as exigências do protocolo. A questão sobre exatamente quanto de ozônio está sendo destruído pelo cloro está agora sob investigação Mais do que 5 bilhões de quilogramas de CFC já foram liberados na troposfera e irão se difundir para os níveis superiores durante as próximas décadas. Em um estudo de 1991, um painel internacional com cerca de 80 cientistas concluíram que a camada de ozônio tinha diminuído de cerca de 3 % durante o verão do período de 1979

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a 1991 sobre a área mais populosa do Hemisfério Norte. Para complicar ainda mais o quadro, cálculos teóricos no início da década de 80 sugeriram que um aumento nos níveis de CO2 na troposfera (resultante da queima de combustíveis fósseis e de madeira) aumentarão a temperatura na troposfera, mas diminuirá a temperatura na estratosfera. Um resfriamento na estratosfera irá desacelerar o processo de destruição do ozônio. Aparentemente no momento, parece que o ozônio está sendo destruído mais rapidamente do que o esperado. Os cientistas apontam para o fato de que as concentrações de ozônio sobre a primavera na Antártica diminuíram até taxas alarmantes. Esta queda brusca no ozônio é atualmente conhecida como “buraco na camada de ozônio” (ver ainda a coluna Focus na página 14). A Ionosfera - A ionosfera não é na realidade uma camada, mas uma região eletricamente carregada na atmosfera superior onde existem grandes concentrações de íons e de elétrons livres. Íons são átomos e moléculas que perderam (ou ganharam) um ou mais elétrons. Os átomos perdem elétrons e tornam-se positivamente carregados quando eles não podem absorver toda a energia transferida para eles pela colisão de uma partícula energética ou pela energia do sol que os atinge. A região mais baixa da ionosfera está geralmente a cerca de 60 km acima da superfície da terra. A partir daí a ionosfera se estende para cima até o topo da atmosfera. Portanto, o domínio da ionosfera é a termosfera (ver Figura 1.8). A ionosfera desempenha um papel importante nas comunicações de rádio. Sua camada inferior reflete as ondas padrões AM de rádio de volta a terra, mas ao mesmo tempo as enfraquece seriamente quando as está refletindo. À noite, entretanto, a camada inferior da ionosfera gradualmente desaparece, e as ondas de rádio podem penetrar mais fundo na ionosfera, onde então elas são capazes de serem refletidas para a terra. Porque existe durante à noite pouca absorção das ondas de rádio nas camadas superiores da ionosfera, tais ondas viajam repetidamente da ionosfera para a terra e de volta para a ionosfera novamente. Deste modo, as ondas padrão AM de rádio são capazes de viajar muitas centenas de quilômetros à noite. Nas próximas seções nós vamos examinar nossa atmosfera de uma perspectiva vertical. Vamos voltar nossa atenção para os eventos meteorológicos que ocorrem na atmosfera mais baixa. Quando você estiver lendo o restante do capítulo tenha em mente que seu conteúdo serve como uma antecipação do que você irá estudar no restante do livro e que muitos conceitos e idéias que você aqui encontra permitirá que você se familiarize com itens que você vai encontrar escritos em revistas e jornais ou mesmo ver na televisão.

Tempo e Clima Quando falamos sobre tempo, estamos falando sobre as condições da atmosfera em um lugar e tempo particulares. O tempo − que está sempre mudando − é composto dos seguintes elementos: 1. temperatura do ar 2. pressão atmosférica 3. umidade 4. nuvens 5. precipitação 6. visibilidade 7. vento Se medirmos e observarmos estes elementos do tempo sobre um determinado intervalo de tempo, digamos, por muitos anos, nós obteremos o “tempo médio” ou o clima de uma região em particular. O clima, portanto, representa a acumulação de eventos diários ou sazonais sobre um longo período de tempo. O conceito de clima é muito mais do que isto já que inclui também os extremos do tempo − as ondas de calor no verão e a friagem no inverno − que ocorrem em uma determinada região. A freqüência destes extremos é o que nos ajuda a distinguir entre os clima que têm médias similares. Se fosse possível observarmos a terra por muitos milhares de anos, perceberíamos que mesmo o clima varia. Nós poderíamos ver rios de gelo movendo-se para os vales e ocupando galerias, ver, por exemplo, o gelo avançando sobre vastas áreas da América do Norte. Avançando vagarosamente a partir do Canadá, uma simples glaciação poderia estender-se até o Kansas e Illinois, com a camada de gelo de milhares de metros de espessura cobrindo a região hoje ocupada por Chicago. Sobre um intervalo de dois milhões de anos atrás, poderíamos ver o gelo avançando e recuando muitas vezes. Naturalmente, para que este fenômeno aconteça, a temperatura da América do Norte teve que cair e depois aumentar de uma maneira cíclica. Suponha que fóssemos capazes de fotografar a terra uma vez a cada mil anos e por um período de centenas de milhares de anos. No lapso de tempo da seqüência do filme, estas fotos mostrariam que não somente o clima está se alterando, mas a terra como um todo está mudando também: montanhas emergem e depois são corroídas pela erosão; pontos isolados de emissão de fumaça e gases aparecem como vulcões expelindo gases quentes e poeira fina dentro da atmosfera e a superfície de toda a terra sofre uma transformação gradual na medida que as bacias oceânicas se alargam e outras se contraem2.

2 O movimento do fundo dos oceanos e continentes é explicado na teoria das placas tectônicas, formalmente conhecida como a teoria da deriva dos continentes.

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Resumindo, a terra e sua atmosfera são sistemas dinâmicos que estão constantemente mudando. Enquanto que grandes transformações da superfície da terra são completadas somente em longos espaços de tempo, o estado da atmosfera pode mudar em uma questão de minutos. Portanto, um olhar cuidadoso na direção do céu será capaz de observar muitas destas mudanças. Até este ponto, falamos de conceitos de tempo e clima sem discutir a palavra meteorologia. O que este termo realmente significa e qual a sua origem? Meteorologia − a Ciência da Atmosfera – Meteorologia é o estudo da atmosfera e de seus fenômenos. O termo surgiu quando o filósofo grego Aristóteles, em torno de 340 a. c., escreveu um livro sobre filosofia natural denominado Meteorológica. Este trabalho representava a soma dos conhecimento sobre o tempo e o clima naquele momento, assim como continha material sobre astronomia, geografia e química. Alguns dos tópicos cobertos incluía nuvens, chuva, neve, vento, granizo, trovões e furacões. Naqueles dias, todas as substâncias que caiam do céu, e qualquer coisa vista no ar, eram chamadas de meteoros, daí o termo meteorologia. Atualmente, nós diferenciamos entre estes meteoros e aqueles que vem de fontes extraterrestres fora de nossa atmosfera (meteoritos) e partículas de água e gelo observadas na atmosfera (hidrometeoros). No livro Meteorológica, Aristóteles tentou explicar os fenômenos atmosféricos de uma maneira filosófica e especulativa. Embora muitas destas especulações fossem erradas, as idéias de Aristóteles foram aceitas sem reservas por quase dois mil anos. De fato, o nascimento da meteorologia como uma ciência natural genuína não aconteceu até a invenção dos instrumentos meteorológicos, tais como o termômetro no fim do século dezesseis, o barômetro (para medir pressão atmosférica) em 1643 e do higrômetro (para medidas de umidade) no final do século dezoito. Com a disponibilidade de medidas instrumentais foram então feitas tentativas de explicar certos fenômenos atmosféricos empregando-se experimentação científica e as leis físicas que estavam sendo desenvolvidas naquela época. Na medida que melhores instrumentos foram desenvolvidos no século dezenove, a ciência meteorológica progrediu. A invenção do telégrafo em 1843 permitiu a transmissão de observações rotineiras do tempo. Idéias sobre ventos e tempestades começaram, pelo menos parcialmente, a serem entendidas, e cartas sinóticas simples (“cartas de tempo”) foram traçadas. Em torno de 1920 os conceitos de massas de ar e frentes foram formulados na Noruega. Na década de quarenta, as observações diárias de temperatura, umidade e pressão, feitas com radiossondas (balões de ar superior) deram uma visão tridimensional da atmosfera.

A meteorologia deu outro salto na década de cinquenta, quando os computadores foram desenvolvidos e pode-se assim resolver equações que descrevem o comportamento da atmosfera. Além de traçar as cartas de tempo com observações do momento, os computadores começaram a ser usados para predizer o estado da atmosfera em algum instante desejado do futuro. Em 1960, o Tiros I, o primeiro satélite meteorológico, foi lançado, introduzindo a meteorologia na era espacial. Satélites subsequentes forneceram uma vasta gama de informações úteis, variando de fotografias diárias e noturnas de nuvens e tempestades até imagens do vapor d’água que circula pela atmosfera ao longo do globo. Atualmente os satélites estão capacitados a fornecer os computadores com uma grande gama de dados por sobre todo o globo e de uma maneira contínua, de tal modo que previsões mais precisas de uma semana ou mais são cada vez mais confiáveis. Uma Visão do Tempo Através dos Satélites – Uma boa visão do tempo pode ser obtida a partir de um satélite meteorológico. A figura 1.10 é uma imagem de satélite mostrando uma parte do Oceano Pacífico e do continente Norte Americano. Esta imagem foi obtida a partir de um satélite geoestacionário situado a 36.000 km acima da superfície da terra. Nesta elevação, o satélite viaja a uma mesma velocidade de rotação da terra, o que permite que ele permaneça sobre a mesma posição em relação à terra e que possa monitorar continuamente o que está ocorrendo nesta região. Tempestades de Todos os Tamanhos – Provavelmente o espetáculo mais dramático mostrado na figura 1.10 são as massas circulares de nuvens de todos os tamanhos e formas. As nuvens aparecem brancas porque a luz do sol está sendo refletida de volta pelos seus topos. As áreas escuras mostram onde o céu está claro. As maiores massas de nuvens organizadas são as tempestades dispostas sobre grandes faixas horizontais. Uma destas tempestades aparece como uma banda extensa de nuvens, de cerca de 2000 quilômetros de comprimento, a oeste dos Grandes Lagos. Esta tempestade ciclônica de latitudes médias (ou ciclones extratropicais), forma-se fora dos trópicos e, no Hemisfério Norte, apresentam ventos girando no sentido antihorário em torno de seu centro que, nesta imagem, está sobre Minesota. Uma tempestade um pouco menor mas mais vigorosa está localizada sobre o Oceano Pacífico. Este sistema de tempestade tropical, com sua banda de nuvens com giro em forma circular apresentando vento com velocidades acima de 64 nós, é conhecido como furacão. O diâmetro de um furacão é de cerca de 800 km. A área circular no seu centro é conhecida como o olho do furacão. Neste olho, os ventos são calmos e o céu é, geralmente, claro. Em torno deste olho, entretanto, existe uma região onde a chuva é forte e os fortes ventos de superfície atingem rajadas de 100 nós.

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Tempestades menores são vistas como pontos brilhantes sobre o Golfo do México. Estes pontos representam agrupamentos de nuvens tipo cúmulos que cresceram até se tornarem trovoadas (“thunderstorms”); isto é, nuvens cumulonimbos de grande desenvolvimento vertical acompanhadas de relâmpagos, trovões, fortes ventos de rajada e chuva forte. Se a figura 1.10 for observada detidamente, pode-se ver formas similares de nuvens em muitas regiões. Existem provavelmente milhares de trovoadas ocorrendo por sobre o globo em um determinado momento. Embora não possam ser vistos individualmente, existem destas nuvens de tempestades embebidas na massa de nuvens que está sobre o oeste dos Grandes Lagos. Mais tarde, neste mesmo dia em que esta imagem foi tomada, algumas destas tempestades darão origem ao distúrbio mais violento da atmosfera – o tornado. Um tornado é uma coluna de ar com rotação intensa que se estende a partir da base de uma nuvem de tempestade. Algumas vezes chamados de “twisters” ou ciclones, podem aparecer como trombas ou grandes cilindros circulares. A maioria tem menos que um quilômetro e muitos são menores que um campo de futebol. Os ventos em um tornado podem exceder 200 nós sendo mais provável alcançar picos de pelo menos 125 nós. Alguns tornados nunca alcançam o solo e a maior parte surge da base da nuvem como um funil com rápida rotação. Geralmente mergulham para a superfície e sobem novamente, desaparecendo. Uma visão do mapa do tempo - Podemos ter uma visão melhor dos sistemas de tempestades de latitudes médias examinando um mapa de tempo simplificado (carta sinótica) do mesmo dia em que foi tomada a imagem de satélite. O peso do ar sobre as diferentes regiões varia e, portanto, varia também a pressão atmosférica. Na figura 1.11 a letra L na carta indica uma região de baixa pressão atmosférica, geralmente chamada de baixa, que marca o centro da tempestade de latitude média. As duas letras H na carta representam as regiões de alta pressão atmosférica, chamadas de altas, ou anticiclones. Os círculos na carta representam as estações meteorológicas individuais. O vento é o movimento horizontal do ar. A direção do vento − a direção de onde o vento está soprando − é dada pelas linhas paralelas ao vento e se estendem saindo do centro da estação meteorológica. A velocidade do vento está indicada pelas barbelas. Observe como o vento circula em torno das altas e das baixas. As diferenças horizontais de pressão provocam o movimento do ar das altas para as baixas presssões. Devido à rotação da terra, o vento se desvia de tal maneira que, no Hemisfério Norte, ele flui no sentido horário e para fora do centro nas regiões de altas e no sentido anti-horário e convergindo na direção do centro de baixa pressão. (Este conceito será examinado com mais detalhes no capítulo 6). Na medida que o ar gira em torno da baixa, ele converge e sobe, parecido com o que acontece

com a pasta de dentes quando o tudo aberto é comprimido. O ar que sobe resfria-se, e a umidade contida no ar se condensa na forma de nuvens. Note que na figura 1.11 a área de precipitação (área verde sombreada) na vizinhança da baixa corresponde a extensa região com nuvens mostrada na imagem de satélite (Figura 1.10). Note pela comparação das figuras 1.10 e 1.11 que, nas regiões de altas pressões, o céu está geralmente claro. Na medida que o ar flui saindo do centro das altas em superfície, o ar que está acima desce substituindo o ar que sai lateralmente. Como o ar que desce não produz nuvens, encontramos geralmente céu claro e tempo bom associado com as regiões de alta pressão. O ar que circula em torno de altas e baixas pressões são os maiores determinantes do tempo nas latitudes médias. Observe a tempestade de latitudes médias e as temperaturas na superfície na figura 1.11 e note que, a sudeste da tempestade, os ventos de direção sul que vem do Golfo do México trazem ar quente e úmido para a região norte sobre a parte sudeste do país. Do lado oeste da tempestade, as brisas frias e secas combinam-se com o ar que desce para criar um tempo claro sobre as Montanhas Rochosas. A superfície de separação entre o ar quente e o ar frio aparece como uma linha espessa escura sobre a carta − que é uma frente, através da qual existe uma mudança brusca de temperatura, da umidade e da direção do vento. Onde o ar frio do Canadá substitui o ar quente do Golfo do México, uma frente fria é desenhada em azul, com as setas mostrando sua direção de movimento. Onde o ar quente do Golfo do México é substituído por ar frio do norte, uma frente quente é desenhada em vermelho, com semicírculos mostrando a direção de seu deslocamento. Onde o ar frio é substituído por ar frio, é desenhada uma frente oclusa de cor roxa, com alternância de setas e semicírculos para mostrar seu movimento. Ao longo de cada uma das frentes, o ar quente está subindo, produzindo nuvens e precipitação. Na imagem de satélite (figura 1.10), a frente oclusa e a frente fria aparecem como uma banda alongada de nuvens saindo da área de baixas pressões sobre a região de Minesota até a parte norte do Texas. Note na figura 1.11 que as frentes estão à oeste de Chicago. Na medida em que os ventos em altos níveis empurrarem as frentes na direção leste, uma pessoa nas cercanias de Chicago deve observar a aproximação da frente como uma linha de torres de cumulonimbos similares àqueles mostrados na figura 1.12. Em poucas horas, Chicago deve experimentar chuvas pesadas com trovões e relâmpagos e ventos de rajada, na medida em que a frente passar. Tudo isto, no entando, deve dar lugar a céu claro e ventos de oeste ou noroeste em superfície depois da passagem da frente. Observando os sistemas de tempestades, vemos que eles não só se movem mas estão em constante mudança. Levados pelos ventos de oeste em altos níveis, a tempestade de latitudes médias

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mostrada na figura 1.11 se intensifica, movendo-se para leste, carregando suas nuvens e o tempo associado com elas. Na frente deste sistema, o dia ensolarado em Ohio irá gradualmente ficando encoberto de nuvens e deverá ocorrer pancadas de chuva e trovoadas na caída da noite. Atrás da tempestade, os ventos frios e secos de norte entrando a leste do Colorado provocarão um céu encoberto sendo substituído por condições de céu claro. Mais ao sul, as tempestades (“thunderstorms”) no momento sobre o Golfo do México (figura 1.10) se expandirão um pouco, dissipando-se na medida em que novas tempestades aparecerão sobre áreas de terra e de água. À oeste, o furacão sobre o Oceano Pacífico se desviará para noroeste e encontrará águas mais frias. Ali, longe da sua fonte quente de energia, ele perderá seu impulso; os ventos diminuirão e a tempestade se transformará um uma massa desorganizada de nuvens e umidade tropical. O Tempo e o Clima em Nossas Vidas − O tempo e o clima desempenham um papel importante em nossas vidas. O tempo, por exemplo, freqüentemente determina o tipo de roupas que vamos usar, enquanto que o clima influencia o tipo de roupas que vamos comprar. O clima determina quando plantar uma determinada espécie assim como o tipo de planta que pode ser plantada. O tempo determina se esta mesma espécie irá ou não crescer até a maturidade. Embora o tempo e o clima afetem nossas vidas de várias maneiras, talvez sua influência mais imediata seja sobre o nosso conforto. A fim de sobreviver ao frio do inverno e ao calor do verão, nós construimos casas, as aquecemos, colocamos sistemas de ar condicionado, as isolamos − somente para parcebermos que quando abandonamos nossa concha, estamos a mercê dos elementos do tempo. Mesmo quando estamos apropriadamente vestidos para o tempo, o vento, a umidade e a precipitação podem mudar nossa percepção de quão frio ou quente ele parece. Em um dia frio e com vento, o efeito (do “wind shill”) nos faz sentir que está muito mais frio do que na realidade e, se não estivermos propriamente vestidos, corremos o risco de “frostbite” ou até mesmo de hipotermia ( o rápido e progressivo colapso mental e físico que acompanha o abaixamento da temperatura do corpo humano). Em um dia quente e úmido nós normalmente sentimos um desconforto térmico maior, nosso corpo se sobreaquece, e a exaustão témica ou “heat stroke” pode ocorrer. As pessoas que mais sofrem com estas situações são os idosos com problemas circulatórios e as crianças, cujos mecanismos reguladores de temperatura ainda não estão completamente desenvolvidos. O tempo afeta também de outras maneiras o modo como nos sentimos. As dores devidas à artrite são maiores quando um aumento de umidade é acompanhado de quedas de pressão atmosférica. De uma maneira ainda não completamente entendida, o tempo parece afetar nossa saúde. A

incidência de ataques cardíacos parece ter um máximo estatístico depois da passagem de frentes quentes, quando são comuns o vento e a chuva e depois da passagem de frentes frias quando ocorre mudanças abruptas e pancadas de chuva são acompanhadas de ventos frios na forma de rajadas. Dores de cabeça são comuns em dias que temos que forçar os olhos, geralmente por causa da presença de névoas ou dias com uma fina e brilhante cobertura de nuvens altas. Para algumas pessoas, um vento quente e seco soprando para baixo ao longo de uma encosta (vento catabático) afeta negativamente seu comportamento (elas geralmente ficam irritáveis e deprimidas). Exatamente como e porque estes ventos impactam psicologicamente o ser humano não é bem entendido. Voltaremos no capítulo 7 a explicar porque estes ventos são quentes e secos. Quando o tempo se torna mais frio ou mais quente do que o normal ele influencia a vida e o orçamento de muitas pessoas. Por exemplo, o frio verão de 1992 sobre 2/3 do leste da América do Norte fez com que houvesse uma economia de bilhões de dólares nos custos de ar condicionado. Por outro lado o inverno frio de 1986-87 sobre a Europa matou muitas centenas de pessoas e causou um racionamento de combustíveis já que a demanda por combustível superou o suprimento. Ondas de frio acompanhadas de pesadas quedas de neve podem causar devastação, atrapalhar o tráfego nas cidades, interromper os serviços nos aeroportos, fechar escolas, derrubar linhas de transmissão, deixando sem eletricidade milhares de consumidores. Uma destas tempestades durante fevereiro de 1983, atingiu muitas cidades do lado leste dos Estados Unidos, e deixou Filadélfia paralisada com uma cobertura de neve de vinte e uma polegadas. Quando o ar frio atinge mais profundamente o sul dos Estados Unidos muitos milhões de dólares são perdidos pois as frutas e vegetais sensíveis ao frio que aí são cultivadas ficam arruinadas, o que causa alta nos preços nos supermercados. Períodos prolongados de seca, especialmente quando acompanhados por altas temperaturas, podem levar a escassez de comida e, em muitos lugares, ao estabelecimento da fome. Partes da África, por exemplo, têm estado no centro de uma grande seca e da fome por várias décadas. Determinadas organizações têm salvo milhões de famintos através do envio de ajuda externa. Em 1986, o sudeste dos Estados Unidos sofreu sua pior seca, com temperaturas altas que prejudicaram as culturas e causaram perdas de um bilhão de dólares. Quando o clima se torna quente e seco, os animais também sofrem. Cerca de 500.000 frangos morreram somente na Geórgia durante um período de dois dias de pico de calor no verão. Secas severas têm efeitos também nos reservatórios de água, freqüentemente forçando as comunidades a racionar a água e restringir seu uso. A cada ano o lado violento do tempo influencia a vida de milhões de pessoas. É

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impressionante a quantidade de pessoas, cujas raízes familiares estão do meio-oeste americano, que conhece situações de pessoas que foram seriamente prejudicadas ou mortas por um tornado. Os tornados não somente causam muitas mortes, mas anualmente também causam danos em construções e propriedades totalizando centenas de milhões de dólares, na media que um único tornado pode atingir uma parte inteira de uma cidade (ver Figura 1.13). Embora a chuva agradável de uma típica tempestade de verão seja bem vinda sobre a maior parte dos lugares, pesados aguaceiros, ventos fortes e ocorrência de granizo que acompanham uma tempestade severa não o são. Tempestades (“thunderstorms”) severas que se movem vagarosamente provocam a queda rápida de uma grande quantidade de chuva criando “flash floods” na medida que pequenos rios não dão vazão arrastando plantas e árvores. Correntes de ar violentas de cima para baixo (“downburst”) criam ventos turbulentos que são capazes de destruir plantações e infligir danos violentos em certas estruturas. Várias quedas de avião têm sido atribuídas à zona de cisalhamento do vento (“wind shear”) dentro de um “downburst”. Anualmente, a ocorrência de granizo causa danos nas plantações avaliados em milhões de dólares e os relâmpagos iniciam incêndios que destroem milhares de acres de madeira valiosa. Mesmo o lado calmo do tempo tem sua influência. Quando os ventos cessam, o ar úmido fica mais tranqüilo e pode haver formação de nevoeiros. Pesados nevoeiros podem restringir a visibilidade em aeroportos, causando atrasos e cancelamento nos vôos. A cada inverno, vários acidentes fatais são correlacionados com a ocorrência de nevoeiros nas estradas. O nevoeiro tem seu lado positivo também, especialmente durante épocas de seca, pois a deposição da umidade sobre as folhas e sobre o solo pode suprir as necessidade de água do sistema de raízes das plantas. O tempo e o clima tem se tornado parte de nossas vidas de tal modo que a primeira coisa que muitos de nós fazemos pela manhã é ouvir a previsão do tempo local. Por esta razão muitas emissoras de rádio e televisão nos Estados Unidos contratam seus próprios “homens do tempo” para apresentar as informações meteorológicas e dar as previsões para o dia. Muitos destes profissionais são pessoas treinadas em meteorologia e muitas emissoras exigem que sua equipe obtenha um selo de aprovação da American Meteorological Society (AMS) ou um certificado da National Weather Association (NWA). Para fazer sua apresentação do tempo em um minuto, um crescente número de emissoras está usando informações fornecidas pelo National Weather Service (NWS), na forma de previsões de tempo computadorizadas, imagens de satélites em tempo real e display’s coloridos de radar. Algumas emissoras têm suas próprias

unidades de radar Doppler para ajudar na previsão de tempestades severas locais. Por muitos anos as emissoras de televisão educativa têm levado ao ar um programa de quinze minutos, de segunda a sexta feira, denominado “AM Weather” – um programa no qual os profissionais do serviço de meteorologia apresentam as previsões, os sumários e o tempo para a aviação. Na televisão à cabo, o “Weather Channel” tem um staff de profissionais treinados que dão informações sobre o tempo vinte e quatro horas por dia. Finalmente a National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), em cooperação com o National Weather Service, patrocina redes de rádio em locais selecionados dos Estados Unidos. Conhecidas como “NOAA weather radio” (e transmitindo em freqüências VHF-FM) este serviço fornece informação contínua do tempo e previsões locais (assim como boletins de tempo, incluindo avisos e alertas) para quase 90 porcento da nação. RESUMO Este capítulo apresenta uma revisão resumida da atmosfera terrestre. A nossa atmosfera é rica em nitrogênio e oxigênio além de conter pequenas quantidades de outros gases e partículas, sendo alguns dos quais extremamente importantes, como o vapor d’água, o dióxido de carbono e o ozônio. Foi examinada a atmosfera primitiva da terra e foi visto o quanto ela era diferente do ar que respiramos hoje. Em seguida analisamos para as diversas camadas da atmosfera e vimos que o ozônio estratosférico, que nos protege dos raios ultravioletas do sol, pode estar decrescendo em concentração, pois gases como os clorofluorcabonos na estratosfera levam à destruição do ozônio. Vimos que a parte mais fria de nossa atmosfera é a mesosfera, que a parte mais quente é a termosfera e que todos os fenômenos do tempo que nós conhecemos ocorrem na troposfera. Vimos brevemente um mapa do tempo e uma foto de satélite e observamos que espalhadas através da atmosfera há tempestades e nuvens de todos os tamanhos e formas. O movimento, a intensidade e o enfraquecimento desses sistemas, bem como a natureza dinâmica do próprio ar, produz uma variedade de eventos meteorológicos que descrevemos em termos de elementos do tempo. A soma total desses fenômenos sobre um longo período de tempo é o que chamamos clima. Enquanto as variações súbitas no tempo ocorrem a cada instante, as variações do clima acontecem gradualmente durante muitos anos. O estudo da atmosfera e de todos os fenômenos a ela relacionados é chamado meteorologia, um termo cuja origem vai aos dias de Aristóteles. Finalmente,

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discutimos alguns formas como o tempo e o clima influencia nossas vidas.

TERMOS CHAVE Os seguintes termos foram listados na ordem em que aparecem no texto. Defina cada um. Isto o ajudará a revisar o material apresentado neste capítulo. Atmosfera Buraco de ozônio Vapor d’água Ionosfera Aerosóis Tempo (fenômeno) Poluentes Elementos do tempo Pressão do ar Clima Taxa de variação Meteorologia Troposfera Tempestades ciclônicas das latitudes médias Radiossonda Furacão Estratosfera Tempestade com trovão Tropopausa Tornado Inversão de temperatura Vento Mesosfera Direção do vento Termosfera Frente QUESTÕES DE REVISÃO 1. Quais são os quatro gases mais abundantes na atmosfera nos dias de hoje? 2. Explique como a atmosfera protege os habitantes da superfície terrestre? 3. Basicamente, como se diferenciam os três estados da água? 4. Quais são os mais importantes papéis que a água desempenha na nossa atmosfera? 5. Cite alguns dos aerosóis da nossa atmosfera. 6. Como a atmosfera da terra tem se modificado ao longo do tempo? 7. (a) Explique o conceito de pressão do ar em termos de peso do ar acima de determinado nível.

(b) Por que a pressão do ar sempre decresce com a altura? 8. Que camada atmosférica contém todos os fenômenos do tempo? 9. Com base na temperatura, liste as camadas da atmosfera desde a inferior até a mais alta. 10. Descreva brevemente como a temperatura do ar varia desde a superfície da terra até a baixa termosfera. 11. Explique como os cientistas acreditam que o “buraco de ozônio” se forma. 12. (a) Como os CFCs estão relacionados à destruição do ozônio estratosférico?

(b) Se todo o ozônio da estratosfera fosse destruído, quais os possíveis efeitos disso sobre a atmosfera e sobre o habitantes da terra.

13. Defina inversão de temperatura. 14. O que é a ionosfera e onde está localizada? 15. Liste os elementos mais comuns do tempo. 16. Como o tempo difere do clima? 17. Defina meteorologia e discuta a origem dessa palavra. 18. Ordene dos maiores para os menores as seguintes tempestades: furacão, tornado, tempestade ciclônica

das latitudes médias, temporal. 19. Quando alguém diz que “o vento hoje está de norte”, o que isto significa? 20. Os fenômenos do tempo nas latitudes médias tende a mover-se em que direção? 21. Descreva algumas das formas como o tempo e o clima influenciam as vidas das pessoas.

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Figura 1.1: A atmosfera da terra vista do espaço.

Tabela 1.1: Composição da atmosfera próximo da superfície da terra.

Figura 1.2: A atmosfera da terra é uma rica mistura de muitos gases, com nuvens de água condensada e cristais de gelo. Aqui, a água evapora da superfície do oceano. Em seguida, as correntes de ar ascendentes transformam o vapor d’água que é invisível em nuvens cúmulos visíveis.

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Figura 1.3: Medições de CO2 em partes por milhão (ppm) desde 1958 até 1991 no Observatório de Mauna Loa. As medições mais altas ocorrem no inverno quando as plantas morrem e liberam CO2 para a atmosfera. As leituras mais baixas ocorrem no verão quando a vegetação mais abundante absorve CO2 da atmosfera.

Figura 1.4: Erupções de vulcões tais como o do Monte Santa Helena, enviam toneladas de partículas na atmosfera, além de grande quantidade de vapor d’água e dióxido de carbono.

Figura 1.5: Tanto a pressão do ar quanto a densidade decrescem com a altitude.

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Figura 1.6: A pressão atmosférica decresce rapidamente com a altura. Subir a um altitude de apenas 5,5 km colocaria você acima de metade das moléculas da atmosfera.

Figura 1.7: Camadas da atmosfera relacionadas aos perfis médios da temperatura do ar acima da superfície da terra. A linha grossa ilustra como a temperatura média varia em cada camada.

Figura 1.8: Camadas da atmosfera baseadas na temperatura (linha vermelha), na composição (linha verde) e nas

propriedades elétricas (linha azul).

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Figura 1.9: Uma molécula de ozônio ao absorver radiação ultravioleta pode se tornar um átomo mais uma molécula de oxigênio.

Figura 1.10: Esta imagem de satélite (tomada no visível, isto é, com a luz refletida) mostra uma variedade de padrões de nuvens e de tempestades na atmosfera da terra.

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Figura 1.11: Mapa do tempo simplificado à superfície que se correlaciona com a imagem de satélite da figura 1.10. A área marcada em verde representa precipitação. A temperatura do ar está em oF.

Figura 1.12: Tempestades se desenvolvendo ao longo de uma frente fria que se aproxima.

Figura 1.13: Os tornados trazem destruição em grandes áreas e causam a perda de muitas vidas.

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