Troposfera

Atroposferaé a camada mais baixa daatmosfera terrestre.Contém aproximadamente 75% da massa atmosférica e 99% do seuvapor de águaeaerossóis.A espessura média da troposfera é de 12 km nas latitudes médias. É mais espessa nas regiões tropicais, podendo alcançar até 17 km de altura, e menos espessa nos polos, podendo alcançar 7 km durante overãoe tornando-se indistinta durante oinverno.A parte mais baixa da troposfera, onde africçãodosventoscom a superfície influencia ascorrentes de vento,é chamada decamada limite planetária(CLP). Esta camada tem normalmente algumas centenas de metros de espessura, podendo atingir até 3 km, dependendo dorelevoe da hora do dia.

A região fronteiriça entre a troposfera e aestratosferaé chamada detropopausa.^[1]A palavra "troposfera" deriva dogrego:"tropos"(girar, misturar), refletindo o fato de que aturbulênciatem um papel importante no comportamento e estrutura da troposfera. A maior parte dosfenômenos meteorológicosque associamos com otempo meteorológicocotidiano ocorre na troposfera.^[1]

Características físicas e químicas

Composição

Acomposição químicada troposfera é essencialmente uniforme, praticamente idêntica à composição daatmosfera terrestrecomo um todo (78% denitrogênioe 21% deoxigênio,além de outros gases em pequenas proporções), com a exceção notável dovapor de água.A fonte de vapor de água provém da superfície, por meio de processos deevaporaçãoetranspiração.Além do mais, a temperatura da troposfera diminui com a altitude, e apressão de vaporcai intensamente assim que a temperatura diminui. Assim, a quantidade de vapor de água que pode existir na atmosfera cai intensamente com a altitude. Assim sendo, a proporção de vapor de água na atmosfera terrestre alcança o seu pico perto da superfície e diminui com a altura.

Pressão

Apressão atmosféricaalcança o seu máximo aonível do mare diminui conforme a altitude Isto é devido ao fato de que a atmosfera está muito perto doequilíbrio hidrostático.Assim sendo, a pressão atmosférica é igual ao peso do ar acima em um determinado local. As mudanças de pressão com a altitude, portanto, podem ser equacionadas à densidade com a equaçãohidrostática:^[2]

{\frac {dp}{dz}}=-\rho g=-{\frac {mpg}{RT}}

onde:

gé o valor daaceleração da gravidade(9,80665 m/s² ao nível do mar);
ρrefere-se àdensidade;
zé a altura;
Ré aconstante universal dos gases perfeitos;
Té a temperatura (emkelvins- K)
mé amassa molar.

Já que a temperatura, em princípio, depende da altitude, é necessário então uma segunda equação para determinar a pressão como uma função da altura.

Temperatura

Atemperaturada troposfera diminui com a altitude. A taxa pelo qual a temperatura cai, ${\frac {-dt}{dz}}$ ,é chamada degradiente adiabáticoambiental. O gradiente adiabático é nada mais do que a diferença de temperatura entre a superfície e a tropopausa dividida pela altitude. A razão para esta diferença de temperatura é que a absorção deradiação solarocorre na superfície, aquecendo as porções mais baixas da troposfera, mas a perda de radiação pela Terra ocorre no topo da atmosfera terrestre. Este processo mantém obalanço geraltérmico da Terra.

As massas de ar na atmosfera sobem e descem, e também sofrem mudanças de temperatura. A taxa de mudança da temperatura em uma determinadamassa de arpode ser maior ou menor do que o gradiente adiabático. Quando uma massa de ar sobe, esta se expande, porque a pressão atmosférica é menor nas altitudes mais altas. Assim que a massa de ar se expande, desloca o ar ao seu redor, fazendotrabalho.Entretanto, a massa de ar não ganhacalordo ambiente em seu torno porque acondutividade térmicaé baixa (e é por isso que tal processo é denominadoadiabático- não há compartilhamento de calor). Já que a massa de ar exerce trabalho e não ganha calor, perde, então,energia,e então a temperatura dessa massa de ar diminui. O processo inverso também ocorre.^[1]

Já que a diferença de calor (dQ) está relacionada à diferença deentropia(dS), onde dQ = T dS, a equação que governa a temperatura como uma função da altitude para uma atmosfera bem turbilhonada é:

{\frac {dS}{dz}}=0

onde S é a entropia. A taxa na qual a temperatura diminui com a altura em tais condições é chamada de gradiente adiabático.

Para o ar seco, que é aproximadamente umgás ideal,podemos prosseguir além. A equação adiabática para um gás ideal é:^[3]

p(z)T(z)^{-{\frac {\gamma }{\gamma -1}}}={\text{constante}}

onde γ é ocoeficiente de expansão adiabática(γ = 7/5, para o ar). Combinando com a equação para a pressão, chegaremos ao gradiente adiabático para o ar seco:^[4]

{\frac {dT}{dz}}=-{\frac {mg}{R}}{\frac {\gamma -1}{\gamma }}=-9,8^{\circ }\mathrm {C} /\mathrm {km}

Se o ar contémvapor de água,então o resfriamento do ar pode causar a condensação da água, e o comportamento da troposfera já não é mais de um gás ideal. Se o ar estásaturado de vapor de água,então a taxa na qual a temperatura cai com a altitude é chamada de gradiente adiabático ambiental. Na troposfera, o gradiente adiabático ambiental é uma queda de cerca de 6,5 °C para o aumento de um quilômetro na altitude.^[1]

Distribuição das camadas da atmosfera segundo apressão,temperatura, altitude edensidade

O gradiente adiabático ambiental (a taxa real em que a temperatura cai com a altura, $\left({\frac {dT}{dz}}\right)$ ,geralmente não é igual ao gradiente adiabático de um gás ideal $\left({\frac {dS}{dz}}=0\right)$ .Se o ar das altitudes mais elevadas é mais quente do que o previsto pelo gradiente adiabático de um gás ideal $\left({\frac {dT}{dz}}>0\right)$ ,então quando uma massa de ar sobe e se expande, vai chegar a uma nova altura a uma temperatura mais baixa do que o ar em seu torno. Neste caso, a massa de ar é mais densa do que suas vizinhanças, e então desce para a altura original, e, portanto, o ar é estável ao invés de estar sendo impulsionado para cima. Se, ao contrário, o ar das altitudes mais altas estiver mais frio do que o previsto pelo gradiente adiabático de um gás ideal $\left({\frac {dT}{dz}}<0\right)$ ,então a massa de ar sobe para a nova altura com a temperatura mais alta e com menor densidade do que as suas vizinhanças, e então irá continuar a seguir mais alto.^[1]^[2]

A temperatura cai, nas latitudes médias, de uma média de 15 °C no nível do mar para cerca de -55 °Cno topo datropopausa.Nos polos, a troposfera é menos espessa, e a temperatura cai para somente -45 °C, enquanto que nas regiões trópicas, a temperatura no topo da troposfera pode alcançar -85 °C.

Tropopausa

Atropopausaé a região limítrofe entre a troposfera e aestratosfera.As medições das mudanças de temperatura através da troposfera e da estratosfera podem identificar o exato local da tropopausa. Na troposfera, a temperatura diminui com a altitude. Entretanto, na estratosfera, a temperatura se torna constante, e então aumenta conforme a altitude. Então a troposfera é definida pela região fronteiriça entre regiões onde ogradiente adiabáticoé positivo (troposfera) e o gradiente adiabático é negativo (estratosfera).^[1]Assim sendo, a tropopausa é uma região deinversão térmica,e praticamente não há mistura entre estas duas camadas daatmosfera terrestre.

Referências

↑^a^b^c^d^e^fDanielson, Levin, and Abrams,Meteorology,McGraw Hill, 2003
↑^a^bLandau and Lifshitz,Fluid Mechanics,Pergamon, 1979 (em inglês)
↑Landau and Lifshitz,Statistical Physics Part 1,Pergamon, 1980 (em inglês)
↑Kittel and Kroemer,Thermal Physics,Freeman, 1980; chapter 6, problem 11 (em inglês)

[DLA-1] Danielson, Levin, and Abrams,Meteorology,McGraw Hill, 2003

[LL-2] Landau and Lifshitz,Fluid Mechanics,Pergamon, 1979 (em inglês)

[LL1-3] Landau and Lifshitz,Statistical Physics Part 1,Pergamon, 1980 (em inglês)

[4] Kittel and Kroemer,Thermal Physics,Freeman, 1980; chapter 6, problem 11 (em inglês)

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