Astronomia

O que distingue uma camada atmosférica de outra?

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A atmosfera de um corpo planetário (presumindo que haja uma atmosfera) é descrita como sendo composta de camadas distintas.

Por exemplo, Terra, Saturno e Júpiter têm uma estratosfera e uma troposfera.

O que é que define onde uma camada termina e outra começa?


O que é que define onde uma camada termina e outra começa?

Temperatura. Mais especificamente, é se a temperatura aumenta ou diminui com o aumento da altitude.

Na troposfera, a temperatura geralmente diminui com o aumento da altitude, a uma taxa média de 6,4 ° C / km (a taxa de lapso ambiental). Essa diminuição pára na tropopausa, a fronteira entre a troposfera e a estratosfera. A camada de ozônio está na estratosfera, fazendo com que as temperaturas na estratosfera aumentem com o aumento da altitude. Embora esse limite seja um pouco confuso, ele ainda é muito real. É necessária uma tempestade incrivelmente forte (pense em furacões, tempestades poderosas o suficiente para gerar tornados e tempestades muito altas e fortes na Zona de Convergência Intertropical) para penetrar essa fronteira.

As temperaturas na estratosfera param de subir na estratopausa, a fronteira muito difusa entre a estratosfera e a mesosfera. Como na troposfera, as temperaturas na mesosfera caem (e caem muito) com o aumento da altitude. A termodinâmica torna a fronteira entre a estratosfera e a mesosfera muito diferente (e não tão clara) quanto a fronteira entre a troposfera e a mesosfera.

O limite entre a mesosfera e a termosfera é semelhante ao limite entre a troposfera e a estratosfera. As temperaturas aumentam com o aumento da altitude na termosfera. Essa mudança de temperaturas decrescentes na mesosfera para temperaturas crescentes na termosfera cria um limite bastante estável.

Outra coisa acontece perto dessa fronteira entre a mesosfera e a termosfera. Gases de vida longa são razoavelmente bem misturados na troposfera, estratosfera e mesosfera graças à turbulência. Os gases na termosfera e exosfera agem mais como um monte de partículas individuais do que como um gás. Ao contrário das camadas densas abaixo, os gases na termosfera e exosfera são diferenciados. A maquiagem tende a partículas cada vez mais leves (por exemplo, hélio e hidrogênio) com o aumento da altitude. Eventualmente, tudo o que se encontra são hidrogênio e hélio. Esses são os gases que escapam da atmosfera.


A noção problemática aqui são as camadas "distintas", que efetivamente não existem. A atmosfera da Terra é um continuum, como qualquer atmosfera.

Isso decorre da lei da pressão hidrostática $ nabla P = - g rho $, que dá juntamente com a lei do gás ideal $ P = rho k_B T / mu $ uma solução exponencialmente decadente com a altura, tanto para a pressão quanto para densidade. Aqui P é a pressão, $ rho $ é a densidade de massa local, g é a aceleração gravitacional local, $ k_B $ a constante de Boltzmann e $ T $ a temperatura.

No entanto, existem algumas ressalvas às "camadas" como forma de caracterizar a atmosfera:

  • A camada de inversão pode ser uma camada distinta onde a diminuição da temperatura com a altura é inversa. Assim, a temperatura aumenta um pouco e depois diminui novamente. Portanto, haverá exatamente dois pontos onde o aumento da temperatura é 0. Entre esses dois pontos, a definição de uma camada distinta faz sentido.
  • De forma semelhante, toda a temperatura atmosférica em uma escala global tem uma dependência engraçada da altura (veja e.e. aqui). Novamente, pode-se definir camadas entre os pontos onde algo interessante no perfil T acontece. É daí que vem a caracterização em troposfera, estratosfera, etc.

Agora podemos escolher outras variáveis ​​além da temperatura para caracterizar a atmosfera. Como estado de ionização, estado de mistura, movimentos dinâmicos, composição química e, em seguida, definir camadas que fazem sentido apenas quando se fala sobre essa variável em particular.

Resumindo: As camadas podem ser definidas, até mesmo fisicamente significativas, mas apenas no contexto de uma variável específica.


A estratosfera e a troposfera são definidas pela variação da temperatura com a altura.

Dentro de uma troposfera, a temperatura cai à medida que a altitude aumenta e cai rápido o suficiente para que ocorra a convecção. Considerando que dentro de uma estratosfera, a temperatura aumenta com o aumento da altitude. Uma vez que a convecção requer que a taxa de resfriamento da temperatura com a altura (a "taxa de lapso") exceda a taxa na qual um gás resfria devido à redução da pressão, na estratosfera a atmosfera será estável. Tropos significa "girar" e estratos significa em camadas. A estratosfera é aquecida pela absorção da radiação solar, particularmente a radiação UV (na camada de ozônio), enquanto a troposfera é aquecida principalmente a partir do solo ou, no caso de Júpiter, do calor interno de Júpiter.

O resultado é que na troposfera a atmosfera estará bem misturada e as nuvens se formarão, enquanto na estratosfera haverá menos mistura e muito menos nuvens.

Em Júpiter, a tropopausa (o ponto de temperatura mais baixa) ocorre a uma pressão de cerca de 0,1 bar. (fonte)


Ciência simplificada: Atmosfera superior da Terra e # 8217s

Crédito: NASA / Noctilucent Clouds, Jan Erik Paulsen Barrel Image, NASA / NSF.

A atmosfera da Terra possui quatro camadas primárias: a troposfera, a estratosfera, a mesosfera e a termosfera. Essas camadas protegem nosso planeta absorvendo radiação prejudicial.

Termosfera 53-375 Miles & # 8211 Na termosfera, moléculas de oxigênio e nitrogênio são bombardeadas por radiação e partículas energéticas do Sol, fazendo com que as moléculas se dividam em seus átomos componentes e criando calor. A termosfera aumenta de temperatura com a altitude porque o oxigênio atômico e o nitrogênio não podem irradiar o calor dessa absorção.

Mesosfera 31–53 Miles & # 8211 Estudar a mesosfera é essencial para entender as mudanças de longo prazo na atmosfera da Terra e como essas mudanças afetam o clima. Como a mesosfera responde a pequenas mudanças na composição e química atmosférica, ela pode fornecer pistas para os cientistas, como a adição de gases de efeito estufa pode contribuir para uma mudança na temperatura ou na composição da água na atmosfera.

Estratosfera 10–31 Miles & # 8211 A camada de ozônio fica dentro da estratosfera e absorve a radiação ultravioleta do sol.

Troposfera 0–10 milhas & # 8211 A troposfera é a camada da atmosfera da Terra & # 8217s onde ocorre toda a atividade humana.

Ionosfera & # 8211 A ionosfera é uma camada de plasma formada pela ionização de oxigênio atômico e nitrogênio por ultravioleta altamente energético e radiação solar de raios-x. A ionosfera se estende do meio da mesosfera até a magnetosfera. Essa camada tem um ciclo diário, pois a exposição diurna à radiação solar causa a ionização dos átomos que podem se estender até a mesosfera. No entanto, essas camadas atmosféricas superiores ainda são em sua maioria neutras, com apenas uma em um milhão de partículas sendo carregadas diariamente. À noite, a ionosfera entra em colapso principalmente quando a radiação do Sol e # 8217s para de interagir com os átomos na termosfera. Ainda existem pequenas quantidades de átomos carregados causados ​​pela radiação cósmica.

Comunicação & # 8211 Uma propriedade única da ionosfera é que ela pode refratar ondas de rádio de ondas curtas, permitindo a comunicação a grandes distâncias por & # 8220 saltando & # 8221 sinais desta camada atmosférica ionizada. A variabilidade da ionosfera pode interromper a comunicação por satélite, como erros nos sinais de GPS para navegação aérea comercial. Durante tempestades solares, essa camada pode até mesmo interromper a comunicação entre as estações terrestres e os satélites.

Foguetes, balões e satélites & # 8211 Cientistas da NASA usam balões para coletar medições in situ na atmosfera. No entanto, a mesosfera e a termosfera são muito altas para os balões alcançarem, então os cientistas usam instrumentos em foguetes de sondagem e satélites para coletar medições mais detalhadas da atmosfera superior.

Nuvens Noctilucentes na Mesosfera & # 8211 Evidências de mudança no comportamento de nuvens noctilucentes foram observadas pela missão AIM. Dados recentes mostram um conteúdo de gelo dramaticamente menor, levando os cientistas a especular sobre mudanças nas condições climáticas e na circulação atmosférica pólo a pólo.

Aeronomia do Gelo na Mesosfera (AIM) & # 8211 NASA & # 8217s satélite AIM pode detectar remotamente nuvens brilhantes noturnas na mesosfera. Essas nuvens noctilucentes são feitas de cristais de gelo que se formam sobre os pólos de verão em uma altitude muito alta e uma temperatura muito fria para nuvens de vapor d'água.

BARRIL & # 8211 O Balloon Array para Perdas Relativísticas de Elétrons do Cinturão de Radiação (BARREL) é uma missão baseada em balão para aumentar as medições da espaçonave RBSP da NASA & # 8217s. O BARREL busca medir a precipitação de elétrons relativísticos dos cinturões de radiação durante duas campanhas com múltiplos balões operadas no hemisfério sul.


Gases na atmosfera terrestre

O nitrogênio e o oxigênio são, de longe, o ar seco mais comum, composto de cerca de 78% de nitrogênio (N2) e cerca de 21% de oxigênio (O2) Argônio, dióxido de carbono (CO2), e muitos outros gases também estão presentes em quantidades muito menores, cada um constituindo menos de 1% da mistura de gases da atmosfera. A atmosfera também inclui vapor de água. A quantidade de vapor d'água presente varia muito, mas em média fica em torno de 1%. Existem também muitas pequenas partículas - sólidos e líquidos - "flutuando" na atmosfera. Essas partículas, que os cientistas chamam de "aerossóis", incluem poeira, esporos e pólen, sal do mar, cinzas vulcânicas, fumaça e muito mais.


2. Estratosfera

Se começarmos do topo da troposfera e avançarmos no céu, alcançamos a camada conhecida como estratosfera.

Se começarmos do topo da troposfera e avançarmos no céu, alcançamos a camada conhecida como estratosfera. Esta camada sobe cerca de 50 km acima do solo da Terra. Nessa camada, a temperatura aumenta à medida que você sobe e tem algo a ver com a camada de ozônio que se encontra dentro da estratosfera.

A camada de ozônio tem um papel vital na proteção do nosso planeta, pois as moléculas de ozônio impedem que a luz ultravioleta do Sol atinja nosso planeta sem parar. A luz ultravioleta não é tecnicamente interrompida, mas ocorre a conversão da luz ultravioleta em calor (é por isso que os buracos na camada de ozônio são tão perigosos).


Tempo e clima

Figura 2. Tempestade vinda do espaço: Esta imagem de satélite mostra o furacão Irene em 2011, pouco antes de a tempestade atingir a 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. (crédito: Projeto NASA / NOAA GOES)

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 do sol 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 2 para um exemplo dramático).

Clima é um termo usado para se referir aos efeitos da atmosfera que perduram por décadas e séculos. Mudanças no clima (em oposição às variações aleatórias no clima de um ano para o outro) são frequentemente difíceis de detectar em curtos períodos de tempo, mas à medida que se acumulam, seu efeito pode ser devastador. Um ditado é que & # 8220Clima é o que você espera, e clima é o que você obtém. & # 8221 A agricultura moderna é especialmente sensível à temperatura e à chuva, por exemplo, os cálculos indicam que uma queda de apenas 2 ° C durante a estação de cultivo cortaria 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 costeiras e portos , e colocar pequenas ilhas completamente submersas.

As mudanças mais bem documentadas no clima da Terra são as grandes eras glaciais, que baixaram a temperatura do hemisfério norte periodicamente nos últimos meio milhão de anos ou mais (Figura 3). A última era do gelo, 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 ao sul até a cidade de Nova York.

Figura 3. Idade do Gelo: Esta imagem gerada por computador mostra as áreas congeladas do hemisfério norte durante as eras glaciais passadas, do ponto de vista privilegiado do 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. (crédito: modificação da obra de Hannes Grobe / AWI)

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

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

Conceitos-chave e resumo

A atmosfera tem uma pressão superficial de 1 bar e é composta principalmente por N2 e O2, além de gases-traço importantes como H2O, CO2, e O3. Sua estrutura consiste na troposfera, estratosfera, mesosfera e ionosfera. Mudar a composição da atmosfera também influencia a temperatura. A circulação atmosférica (clima) é impulsionada pela mudança sazonal de deposição de luz solar. Muitas variações climáticas de longo prazo, como as idades do gelo, estão relacionadas a mudanças na órbita do planeta e inclinação axial.


A atmosfera pode ser dividida em camadas com base em sua temperatura, conforme mostrado na figura abaixo. Essas camadas são a troposfera, a estratosfera, a mesosfera e a termosfera. Uma outra região, começando cerca de 500 km acima da superfície da Terra, é chamada de exosfera.

A troposfera

Esta é a parte mais baixa da atmosfera - a parte em que vivemos. Ela contém a maior parte do nosso clima - nuvens, chuva, neve. Nesta parte da atmosfera, a temperatura fica mais fria à medida que a distância acima da terra aumenta, cerca de 6,5 ° C por quilômetro. A mudança real de temperatura com a altura varia de dia para dia, dependendo do clima.

A troposfera contém cerca de 75% de todo o ar da atmosfera e quase todo o vapor d'água (que forma nuvens e chuva). A diminuição da temperatura com a altura é resultado da diminuição da pressão. Se uma parcela de ar se move para cima, ela se expande (por causa da pressão mais baixa). Quando o ar se expande, ele esfria. Portanto, o ar acima é mais frio do que o ar abaixo.

A parte mais baixa da troposfera é chamada de camada limite. É aqui que o movimento do ar é determinado pelas propriedades da superfície da Terra. A turbulência é gerada quando o vento sopra sobre a superfície da Terra e pelas térmicas que sobem da terra quando é aquecida pelo sol. Essa turbulência redistribui o calor e a umidade dentro da camada limite, bem como os poluentes e outros constituintes da atmosfera.

O topo da troposfera é chamado de tropopausa. Isso é mais baixo nos pólos, onde fica cerca de 7 a 10 km acima da superfície da Terra. É a mais alta (cerca de 17 - 18 km) perto do equador.

A estratosfera

Isso se estende para cima, desde a tropopausa até cerca de 50 km. Ele contém grande parte do ozônio na atmosfera. O aumento da temperatura com a altura ocorre devido à absorção da radiação ultravioleta (UV) do sol por este ozônio. As temperaturas na estratosfera são mais altas no pólo do verão e mais baixas no pólo do inverno.

Ao absorver a radiação ultravioleta perigosa, o ozônio na estratosfera nos protege do câncer de pele e outros danos à saúde. No entanto, produtos químicos (chamados CFCs ou freons e halons) que antes eram usados ​​em geladeiras, latas de spray e extintores de incêndio reduziram a quantidade de ozônio na estratosfera, principalmente nas latitudes polares, levando ao chamado "buraco do ozônio na Antártica".

Agora, os humanos pararam de produzir a maioria dos CFCs prejudiciais que esperamos que o buraco do ozônio se recupere no século 21, mas esse é um processo lento.

A mesosfera

A região acima da estratosfera é chamada de mesosfera. Aqui a temperatura diminui novamente com a altura, atingindo um mínimo de cerca de -90 ° C na "mesopausa".

A termosfera e a ionosfera

A termosfera fica acima da mesopausa e é uma região na qual as temperaturas aumentam novamente com a altura. Este aumento de temperatura é causado pela absorção da radiação ultravioleta energética e de raios-X do sol.

A região da atmosfera acima de cerca de 80 km também é causada pela "ionosfera", já que a radiação solar energética arranca os elétrons das moléculas e átomos, transformando-os em "íons" com carga positiva. A temperatura da termosfera varia entre a noite e o dia e entre as estações, assim como o número de íons e elétrons que estão presentes. A ionosfera reflete e absorve ondas de rádio, permitindo-nos receber transmissões de rádio em ondas curtas na Nova Zelândia de outras partes do mundo.

A exosfera

A região acima de cerca de 500 km é chamada de exosfera. Ele contém principalmente átomos de oxigênio e hidrogênio, mas são tão poucos que raramente colidem - eles seguem trajetórias "balísticas" sob a influência da gravidade, e alguns deles escapam direto para o espaço.

A magnetosfera

A Terra se comporta como um grande ímã. Ele aprisiona elétrons (carga negativa) e prótons (positivo), concentrando-os em duas bandas cerca de 3.000 e 16.000 km acima do globo - os cinturões de "radiação" de Van Allen. Essa região externa ao redor da Terra, onde as partículas carregadas espiralam ao longo das linhas do campo magnético, é chamada de magnetosfera.


Explicador: Nossa atmosfera - camada por camada

Uma visão da paisagem de nuvens da Terra e o resto de nossa atmosfera tirada de uma altura de mais de 30.000 pés. Não visíveis nessas fotos estão as muitas camadas da atmosfera e como suas características diferem à medida que alcançam o espaço sideral.

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1º de dezembro de 2020 às 6h30

A atmosfera da Terra está ao nosso redor. A maioria das pessoas não tem valor. Mas não faça isso. Entre outras coisas, ele nos protege da radiação e evita que nossa preciosa água evapore para o espaço. Ele mantém o planeta aquecido e nos fornece oxigênio para respirar. Na verdade, a atmosfera torna a Terra o lar, doce lar habitável e adorável que ela é.

A atmosfera se estende da superfície da Terra a mais de 10.000 quilômetros (6.200 milhas) acima do planeta. Esses 10.000 quilômetros são divididos em cinco camadas distintas. Da camada inferior para a superior, o ar em cada uma tem a mesma composição. Mas quanto mais alto você sobe, mais distantes estão essas moléculas de ar.

Pronto para alcançar o céu? Esta é uma visão geral, camada por camada:

Troposfera: a superfície da Terra entre 8 e 14 quilômetros (5 e 9 milhas)

Vá em frente, enfie a cabeça na troposfera (TROH-poh-sfear). Esta camada mais baixa da atmosfera começa no solo e se estende por 14 quilômetros (9 milhas) até o equador. É onde é mais espesso. É mais fino acima dos pólos, apenas 8 quilômetros (5 milhas) ou mais. A troposfera contém quase todo o vapor d'água da Terra. É onde a maioria das nuvens passa pelos ventos e onde ocorre o clima. O vapor de água e o ar circulam constantemente em correntes de convecção turbulentas. Não surpreendentemente, a troposfera também é de longe a camada mais densa. Ele contém até 80% da massa de toda a atmosfera. Quanto mais você sobe nessa camada, mais frio fica. Quer neve no verão? Vá para onde a alta troposfera banha os picos mais altos. O limite entre a troposfera e a próxima camada acima é conhecido como tropopausa.

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Estratosfera: 14 a 64 km (9 a cerca de 31 milhas)

Ao contrário da troposfera, as temperaturas nesta camada aumentam com a elevação. A estratosfera é muito seca, então as nuvens raramente se formam aqui. Ele também contém a maior parte do ozônio da atmosfera, moléculas triplas feitas de três átomos de oxigênio. Nesta altitude, o ozônio protege a vida na Terra da prejudicial radiação ultravioleta do sol. É uma camada muito estável, com pouca circulação. Por esse motivo, as companhias aéreas comerciais tendem a voar na estratosfera mais baixa para manter os voos suaves. Essa falta de movimento vertical também explica por que as coisas que entram na estratosfera tendem a permanecer lá por muito tempo. Essa “coisa” pode incluir partículas de aerossol lançadas em direção ao céu por erupções vulcânicas e até fumaça de incêndios florestais. Essa camada também acumulou poluentes, como os clorofluorcarbonos (Klor-oh-FLOR-oh-kar-buns). Mais conhecidos como CFCs, esses produtos químicos podem destruir a camada protetora de ozônio, tornando-a muito mais fina. No topo da estratosfera, chamada estratopausa, o ar é apenas um milésimo da densidade da superfície da Terra.

Nesta imagem tirada da Estação Espacial Internacional, a camada mais baixa da atmosfera - a troposfera - aparece em laranja. Acima em azul está a parte inferior da estratosfera. NASA

Mesosfera: 64 a 85 km (31 a 53 milhas)

Os cientistas não sabem muito sobre esta camada. É apenas mais difícil de estudar. Aviões e balões de pesquisa não operam tão alto e os satélites orbitam mais acima. Nós sabemos que a mesosfera (MAY-so-sfere) é onde a maioria dos meteoros queimam inofensivamente enquanto se lançam em direção à Terra. Perto do topo desta camada, as temperaturas caem para o nível mais baixo na atmosfera da Terra - cerca de -90 ° Celsius (-130 ° Fahrenheit). A linha que marca o topo da mesosfera é chamada, você adivinhou, mesopausa. Se você já viajar para tão longe, parabéns! Você é oficialmente um viajante espacial - também conhecido como astronauta - de acordo com a Força Aérea dos EUA.

A mesopausa também é conhecida como linha Karman. Foi nomeado em homenagem ao físico nascido na Hungria, Theodore von Kármán. Ele estava procurando determinar a borda inferior do que poderia constituir o espaço sideral. Ele o definiu a cerca de 80 quilômetros (50 milhas) acima. Algumas agências do governo dos EUA aceitaram isso como uma definição de onde o espaço começa. Outras agências argumentam que essa linha imaginária é um pouco mais alta: a 100 quilômetros (62 milhas).

A ionosfera é uma zona de partículas carregadas que se estende da estratosfera superior ou mesosfera inferior até a exosfera. A ionosfera é capaz de refletir ondas de rádio, o que permite as comunicações de rádio.

Imagem de lapso de tempo da Terra mostrando a atmosfera, da Estação Espacial Internacional da NASA

Termosfera: 85 a 600 km (53 a 372 milhas)

A próxima camada é a termosfera. Ele absorve os raios X e a energia ultravioleta do sol, protegendo aqueles de nós que estão no solo desses raios nocivos. Os altos e baixos dessa energia solar também fazem a termosfera variar enormemente em temperatura. Pode ir de muito frio a tão quente quanto 1.980 ºC (3.600 ºF) próximo ao topo. A variação da produção de energia do sol também faz com que a espessura desta camada se expanda à medida que aquece e se contraia à medida que esfria. Com todas as partículas carregadas, a termosfera também abriga aqueles belos shows de luz celestial conhecidos como auroras. O limite superior desta camada é chamado de termopausa.

Exosfera: 600 a 10.000 km (372 a 6.200 milhas)

A camada superior da atmosfera da Terra é chamada de exosfera. Seu limite inferior é conhecido como exobase. A exosfera não tem topo bem definido. Em vez disso, ele apenas desaparece ainda mais no espaço. As moléculas de ar nesta parte de nossa atmosfera estão tão distantes que raramente colidem umas com as outras. A gravidade da Terra ainda exerce uma pequena atração aqui, mas apenas o suficiente para evitar que a maioria das moléculas de ar esparsas se afastem. Ainda assim, algumas dessas moléculas de ar - pequenos pedaços de nossa atmosfera - flutuam para longe, perdidas para a Terra para sempre.

À medida que sobe em direção ao espaço, a atmosfera da Terra muda de densidade e muito mais. A profundidade de cada camada pode variar de acordo com o dia e a latitude e são representadas aqui artisticamente (não em escala). VectorMine / iStock / Getty Images

Curiosidades

  • Ondas de choque de terremotos, erupções vulcânicas e explosões na superfície da Terra podem se espalhar pela atmosfera.
  • A Estação Espacial Internacional orbita a Terra a uma altitude média de cerca de 400 quilômetros (250 milhas). Isso está dentro da termosfera. Os satélites também operam nesta região e acima, na exosfera.
  • A termosfera está entulhada de detritos feitos pelo homem, como velhos satélites e pedaços de foguetes. A cada ano, as colisões entre esses itens criam ainda mais detritos. Orbitando em velocidades incríveis, até mesmo uma partícula do tamanho de uma ervilha pode causar sérios danos aos satélites em funcionamento. A Estação Espacial Internacional teve vários quase acidentes com detritos espaciais e, de vez em quando, muda sua posição em órbita para evitar colisões. como dióxido de carbono, metano, vapor de água e óxido nitroso ocorrem naturalmente na atmosfera. Mas a atividade humana aumentou seus níveis. Eles absorvem o calor da Terra e o irradiam de volta à superfície, aumentando o aquecimento.

Palavras de Poder

aerossol: (adj. aerossolizado) Uma minúscula partícula sólida ou líquida suspensa no ar ou como um gás. Os aerossóis podem ser naturais, como névoa ou gás de erupções vulcânicas, ou artificiais, como fumaça da queima de combustíveis fósseis.

atmosfera: O envelope de gases que envolve a Terra ou outro planeta.

átomo: A unidade básica de um elemento químico. Os átomos são constituídos por um núcleo denso que contém prótons carregados positivamente e nêutrons não carregados. O núcleo é orbitado por uma nuvem de elétrons carregados negativamente.

aurora: Uma exibição de luz no céu causada quando as partículas energéticas do sol colidem com as moléculas de gás na atmosfera superior de um planeta. A mais conhecida delas é a aurora boreal da Terra, ou aurora boreal. Em alguns planetas de gás externos, como Júpiter e Saturno, a combinação de uma taxa rápida de rotação e forte campo magnético leva a altas correntes elétricas na atmosfera superior, acima dos pólos dos planetas. Isso também pode causar shows de "luz" auroral em sua atmosfera superior.

média: (em ciências) Um termo para a média aritmética, que é a soma de um grupo de números que é então dividido pelo tamanho do grupo.

dióxido de carbono: (ou CO2) Um gás incolor e inodoro produzido por todos os animais quando o oxigênio que inalam reage com os alimentos ricos em carbono que comeram. O dióxido de carbono também é liberado quando a matéria orgânica é queimada (incluindo combustíveis fósseis como petróleo ou gás). O dióxido de carbono atua como um gás de efeito estufa, prendendo o calor na atmosfera da Terra. As plantas convertem dióxido de carbono em oxigênio durante a fotossíntese, o processo que usam para fazer sua própria comida.

celestial: (em astronomia) De ou relacionado ao céu ou espaço sideral.

químico: Uma substância formada por dois ou mais átomos que se unem (se ligam) em uma proporção e estrutura fixas. Por exemplo, a água é uma substância química produzida quando dois átomos de hidrogênio se ligam a um átomo de oxigênio. Sua fórmula química é H2O.

nuvem: Uma pluma de moléculas ou partículas, como gotículas de água, que se movem sob a ação de uma força externa, como vento, radiação ou correntes de água. (na ciência atmosférica) Uma massa de gotículas de água no ar e cristais de gelo que viajam como uma pluma, geralmente alta na atmosfera da Terra. Seu movimento é impulsionado pelos ventos.

comercial: (em pesquisa e economia) Um adjetivo para algo que está pronto para a venda ou já está sendo vendido. Bens comerciais são aqueles capturados ou produzidos para terceiros, e não apenas para consumo pessoal.

convecção: Subida e descida de material em um fluido ou gás devido a temperaturas desiguais. Este processo ocorre nas camadas externas de algumas estrelas.

destroços: Fragmentos espalhados, normalmente de lixo ou de algo que foi destruído. Detritos espaciais, por exemplo, incluem os destroços de satélites extintos e espaçonaves.

tremor de terra: Um tremor repentino e às vezes violento do solo, às vezes causando grande destruição, como resultado de movimentos dentro da crosta terrestre ou de ação vulcânica.

elevação: A altura ou altitude em que algo existe.

equador: Uma linha imaginária ao redor da Terra que divide a Terra nos hemisférios norte e sul.

erupção: (em geociências) A explosão repentina ou pulverização de material quente das profundezas de um planeta ou lua e para fora de sua superfície. As erupções vulcânicas na Terra geralmente enviam lava quente, gases quentes ou cinzas para o ar e através da terra circundante. Em partes mais frias do sistema solar, as erupções geralmente envolvem água líquida espirrando através de rachaduras em uma crosta gelada. Isso acontece em Enceladus, uma lua de Saturno que está coberta de gelo.

força: Alguma influência externa que pode alterar o movimento de um corpo, manter corpos próximos uns dos outros ou produzir movimento ou estresse em um corpo estacionário.

gravidade: A força que atrai qualquer coisa com massa, ou volume, em direção a qualquer outra coisa com massa. Quanto mais massa algo tiver, maior será sua gravidade.

gás de efeito estufa: Um gás que contribui para o efeito estufa ao absorver calor. O dióxido de carbono é um exemplo de gás de efeito estufa.

Estação Espacial Internacional: Um satélite artificial que orbita a Terra. Administrada pelos Estados Unidos e pela Rússia, esta estação fornece um laboratório de pesquisa a partir do qual os cientistas podem conduzir experimentos em biologia, física e astronomia - e fazer observações da Terra.

ionosfera: Uma camada da atmosfera da Terra situada a cerca de 75 e 1.000 quilômetros (47 e 620 milhas) acima da superfície da Terra. Ele absorve os nocivos raios ultravioleta extremos do sol. Essa energia retira elétrons de átomos e moléculas, criando uma zona cheia de íons que flutuam livremente. A parcela de íons presentes, aqui, afeta o rádio e outros sinais que passam por ele.

Linha Karman: Também conhecida como mesopausa, foi batizada em homenagem ao físico nascido na Hungria, Theodore von Kármán. A cerca de 80 quilômetros (50 milhas) acima, é uma linha imaginária que Karman selecionou para marcar onde o espaço sideral começa.

latitude: A distância do equador medida em graus (até 90). As baixas latitudes estão mais próximas do equador, as altas latitudes estão mais próximas dos pólos.

massa: Um número que mostra o quanto um objeto resiste a acelerar e desacelerar - basicamente uma medida de quanta matéria esse objeto é feito.

meteoro: (adj. meteorítico) Um pedaço de rocha ou metal do espaço que atinge a atmosfera da Terra. No espaço, é conhecido como meteoróide. Quando você o vê no céu, é um meteoro. E quando atinge o solo é chamado de meteorito.

metano: Um hidrocarboneto com a fórmula química CH4 (o que significa que há quatro átomos de hidrogênio ligados a um átomo de carbono). É um constituinte natural do que é conhecido como gás natural. It’s also emitted by decomposing plant material in wetlands and is belched out by cows and other ruminant livestock. From a climate perspective, methane is 20 times more potent than carbon dioxide is in trapping heat in Earth’s atmosphere, making it a very important greenhouse gas.

molecule: An electrically neutral group of atoms that represents the smallest possible amount of a chemical compound. Molecules can be made of single types of atoms or of different types. For example, the oxygen in the air is made of two oxygen atoms (O2), but water is made of two hydrogen atoms and one oxygen atom (H2O).

orbit: The curved path of a celestial object or spacecraft around a galaxy, star, planet or moon. One complete circuit around a celestial body.

oxide: A compound made by combining one or more elements with oxygen. Rust is an oxide so is water.

ozone: A colorless gas made of molecules that contain three oxygen atoms. It can form high in the atmosphere or at ground level. When it forms at Earth’s surface, ozone is a pollutant that irritates eyes and lungs. It is also a major ingredient of smog.

ozone layer: A layer in Earth’s stratosphere. It contains a lot of ozone (a molecule made from three oxygen atoms), which helps block much of the sun’s biologically damaging ultraviolet radiation.

particle: A minute amount of something.

físico: A scientist who studies the nature and properties of matter and energy.

planet: A large celestial object that orbits a star but unlike a star does not generate any visible light.

poles: (in Earth science and astronomy) The cold regions of the planet that exist farthest from the equator the upper and lower ends of the virtual axis around which a celestial object rotates.

pollutant: A substance that taints something — such as the air, water, our bodies or products. Some pollutants are chemicals, such as pesticides. Others may be radiation, including excess heat or light. Even weeds and other invasive species can be considered a type of biological pollution.

radiate: (in physics) To emit energy in the form of waves.

radio waves: Waves in a part of the electromagnetic spectrum. They are a type that people now use for long-distance communication. Longer than the waves of visible light, radio waves are used to transmit radio and television signals. They also are used in radar.

satellite: A moon orbiting a planet or a vehicle or other manufactured object that orbits some celestial body in space.

shock waves: Tiny regions in a gas or fluid where properties of the host material change dramatically owing to the passage of some object (which could be a plane in air or merely bubbles in water). Across a shock wave, a region’s pressure, temperature and density spike briefly, and almost instantaneously.

solar energy: The energy in sunlight that can be captured as heat or converted into heat or electrical energy. Some people refer to wind power as a form of solar energy. The reason: Winds are driven by the variations in temperatures and the density of the air, both of which are affected by the solar heating of the air, ground and surface waters.

sol: The star at the center of Earth’s solar system. It is about 27,000 light-years from the center of the Milky Way galaxy. Also a term for any sunlike star.

tropopause: A boundary between the two lower layers of Earth's atmosphere, the troposphere and the stratosphere. That boundary layer varies with latitude, running from a height of about 6 kilometers (4 miles) over the poles to 18 kilometers (11 miles) over the equator.

turbulent: (n. turbulence) An adjective for the unpredictable fluctuation of a fluid (including air) in which its velocity varies irregularly instead of maintaining a steady or calm flow.

ultraviolet: A portion of the light spectrum that is close to violet but invisible to the human eye.

vertical: A term for the direction of a line or plane that runs up and down, as the vertical post for a streetlight does. It’s the opposite of horizontal, which would run parallel to the ground.

water vapor: Water in its gaseous state, capable of being suspended in the air.

wave: A disturbance or variation that travels through space and matter in a regular, oscillating fashion.

weather: Conditions in the atmosphere at a localized place and a particular time. It is usually described in terms of particular features, such as air pressure, humidity, moisture, any precipitation (rain, snow or ice), temperature and wind speed. Weather constitutes the actual conditions that occur at any time and place. It’s different from climate, which is a description of the conditions that tend to occur in some general region during a particular month or season.

X-ray: A type of radiation analogous to gamma rays, but having somewhat lower energy.

Citations

Journal: E. Astafyeva. Ionospheric detection of natural hazards. Reviews of Geophysics. Vol. 57, December 4, 2019, p. 1265. doi: 10.1029/2019RG000668.

Local na rede Internet: Center for Science Education. University Corporation for Atmospheric Research. Layers of Earth’s atmosphere.

Local na rede Internet: National Environmental Satellite, Data, and Information Service. Peeling Back the Layers of the Atmosphere. National Oceanic and Atmospheric Administration. February 22, 2016.

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Space Littering Can Impact Earth’s Atmosphere

There is growing appreciation that outer space has become atrash bin, with the Earth encircled by dead or dying spacecraft, along withmenacing bits of orbital clutter - some of which burns up in the planet?satmosphere.

The big news of late was a smashup of a commercial Iridiumsatellite with a defunct Russian spacecraft earlier this year. Then there wasthat 2007 anti-satellite test by China, purposely destroying one of its agingweather satellites. These events produced largedebris fields in space ? adding to the swamp of cosmic compost.

But I sense a line of research that needs exploring: Theoverall impact of human-made orbital debris, solid and liquid propellantdischarges, and other space age substance abuse that winds up in a high-speeddive through Earth?s atmosphere.

There?s a convenient toss away line that is in vogue: thatsuch space refuse simply ?burns up? ? a kind of out of sight, out of minddeclaration.

What chemistry is involved given the high heating duringreentry of space leftovers made of tungsten, beryllium, aluminum and lots ofcomposite materials? The impact of these materials on Earth?s atmosphere - topto bottom ? would seem worthy of investigation.

As for total mass of uncontrolled objects that re-enter eachyear ? it?s in the range of 70 ? 80 metric tons. And that?s the trackable, bigstuff ? never mind smaller bits of orbital jetsam like bubbles ofstill-radioactive coolant that has been leaked from old nuclear-powered Sovietsatellites.

One study team that looked into the impact of de-orbitingspace debris on stratospheric ozone issued their findings back in 1994. Thework was done by an aerospace industry firm for the Environmental ManagementDivision of the Space and Missile Systems Center. They reported that objectsre-entering the atmosphere can affect ozone in several ways, but not on asignificant level globally.

Indeed, as an object plowsthrough the Earth?s stratosphere, a shock wave is created that producesnitric oxide, a known cause of ozone depletion. Spacecraft and rocket motorsare composed of metal alloys and composite materials that melt away duringre-entry. The researchers found that these materials, as they undergo intenseheating, also form chemicals that react directly or indirectly to consumeozone.

Overall, the study found that the physical and chemicalphenomena associated with deorbiting debris do not have ?a significant impact?on global stratospheric ozone.

Pass the collection plates

Then there?s the work of Michael Zolensky of AstromaterialsResearch and Exploration Science at NASA?s Johnson Space Center in Houston,Texas.

Some 20 years ago, Zolensky led a team that found a ten-foldincrease in the abundance of large solid particles in the stratosphere between1976 and 1984. Using high-altitude aircraft, the NASA sampling program wasdirected at snagging particles of dust from comets and asteroids as they filterdown through the atmosphere.

However, when the collection plates were later analyzed,exhaust residue from solid rocket motor firings, protective paints that shedfrom the outer hulls of spacecraft in orbit, and particles of mostly aluminumfrom re-entering space hardware were identified.

?I don?t think anyone ever followed up on this,? Zolensky toldme. More study is needed on the density of particles, types of particles, howlong they are suspended in the atmosphere, and whether or not the amount ofdeorbiting detritus has increased over time.

Another scientist flagging this issue is Martin Ross of TheAerospace Corporation in El Segundo, California. He points out that this typeof research is one where you need to have the science guys talking to theengineering community. ?And that usually doesn?t happen.?

Ross emphasized that orbital debris impacts onEarth?s atmosphere, at the moment, is not something to be too concernedabout. However, now is the time to get smart about what is taking place, hesaid.

But complicating that investigation, Ross noted, is thatairplane and balloons only operate at altitudes lower than where the re-entryprocess takes place. That upper stratosphere-lower mesosphere region has oftenbeen tagged as the ?Ignorosphere,? Ross said.

Even at balloon altitude there has been some recent,unexpected, insight. Scientists at the Indian Space Research Organizationannounced last March that ultraviolet-resistant bacteria had been found inEarth?s upper stratosphere, purportedly not found elsewhere on Earth.

?Everywhere we look on the Earth, we seem to find somethingthat we could call life,? Ross told SPACE.com. ?So I guess it wouldn?tbe too surprising that you?d find some layer of a particular microbe, orsomething, at various levels in the atmosphere.?

Ross, along with Darin Toohey of the University of Colorado,Boulder?s Atmospheric and Oceanic Sciences Department recently reported thatrocket launches may need regulation to prevent ozone depletion.

That study ? published in Astropolitics this pastMarch, an international journal of space politics and policy -- includesanalysis from Embry-Riddle Aeronautical University in Daytona, Florida andprovides a market analysis for estimating future ozone layer depletion based onthe expected growth of the space industry and known impacts of rocket launches.

In that assessment, the global market for rocket launchesmay require more stringent regulation in order to prevent significant damage toEarth?s stratospheric via ozone-destroying rocket emissions in the decades tocome.

The new study was designed to bring attention to the issue in hopes of sparkingadditional research, Ross said. Furthermore, getting a handle on the makeup ofhuman-made components and debris that speeds through the upper atmosphere ?from an accounting point of view -- would be a fairly simple thing to do, headded.

?All we really have right now are a small handful ofobservations of the emissions of a few rockets as they ascend to space. Eventhen, we lack critical observations in the plumes of many other types ofrockets to be confident in predictions of the impacts of the space launch fleetas a whole,? Toohey told SPACE.com.

?Add in the unknown impacts of vapors formed during reentry,and you can guess that we have some work to do to provide solid evidence neededby the space launch industry to design new vehicles that minimize thoseimpacts,? Toohey added.

Toohey said the good news is that, if the atmosphericsciences and space launch communities can come together to address this issue,?we have the expertise and tools to solve this before it ever becomes a seriousproblem.?

Space ? a Superfund clean-up site

While getting a research handle on the Ignorosphere appearscalled for, the bigger mess to deal with is how best to de-clutter lowEarth orbit.


The thermosphere rises several hundred miles above the Earth's surface, from 56 miles (90 km) up to between 311 and 621 miles (500–1,000 km). Temperature is very much affected by the sun here it can be 360 degrees Fahrenheit hotter (500 C) during the day than at night. Temperature increases with height and can rise to as high as 3,600 degrees Fahrenheit (2000 C). Nonetheless, the air would feel cold because the hot molecules are so far apart. This layer is known as the upper atmosphere, and it is where the auroras occur (northern and southern lights).

Extending from the top of the thermosphere to 6,200 miles (10,000 km) above Earth is the exosphere, where weather satellites are. This layer has very few atmospheric molecules, which can escape into space. Some scientists disagree that the exosphere is a part of the atmosphere and instead classify it actually as a part of outer space. There is no clear upper boundary, as in other layers.


Shrinking atmospheric layer linked to low levels of solar radiation

Large changes in the sun's energy output may drive unexpectedly dramatic fluctuations in Earth's outer atmosphere.

Results of a new study link a recent, temporary shrinking of a high atmospheric layer with a sharp drop in the sun's ultraviolet radiation levels.

The research, led by scientists at the National Center for Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, Colo., and the University of Colorado at Boulder (CU), indicates that the sun's magnetic cycle, which produces differing numbers of sunspots over an approximately 11-year cycle, may vary more than previously thought.

The results, published in the American Geophysical Union journal Cartas de pesquisa geofísica, are funded by NASA and by the National Science Foundation (NSF), NCAR's sponsor.

"This research makes a compelling case for the need to study the coupled sun-Earth system," says Farzad Kamalabadi, program director in NSF's Division of Atmospheric and Geospace Sciences, "and to illustrate the importance of solar influences on our terrestrial environment with both fundamental scientific implications and societal consequences."

The findings may have implications for orbiting satellites, as well as for the International Space Station.

"Our work demonstrates that the solar cycle not only varies on the typical 11-year time scale, but also can vary from one solar minimum to another," says lead author Stanley Solomon, a scientist at NCAR's High Altitude Observatory. "All solar minima are not equal."

The fact that the layer in the upper atmosphere known as the thermosphere is shrunken and dense means that satellites can more easily maintain their orbits.

But it also indicates that space debris and other objects that pose hazards may persist longer in the thermosphere.

"With lower thermospheric density, our satellites will have a longer life in orbit," says CU professor Thomas Woods, a co-author.

"This is good news for those satellites that are actually operating, but it is also bad because of the thousands of non-operating objects remaining in space that could potentially have collisions with our working satellites."

The sun's energy output declined to unusually low levels from 2007 to 2009, a particularly prolonged solar minimum during which there were virtually no sunspots or solar storms.

During that same period of low solar activity, Earth's thermosphere shrank more than at any time in the 43-year era of space exploration.

The thermosphere, which ranges in altitude from about 55 to more than 300 miles (90 to 500 kilometers), is a rarified layer of gas at the edge of space where the sun's radiation first makes contact with Earth's atmosphere.

It typically cools and becomes less dense during low solar activity.

But the magnitude of the density change during the recent solar minimum appeared to be about 30 percent greater than would have been expected by low solar activity.

The study team used computer modeling to analyze two possible factors implicated in the mystery of the shrinking thermosphere.

They simulated both the impacts of solar output and the role of carbon dioxide, a potent greenhouse gas that, according to past estimates, is reducing the density of the outer atmosphere by about 2 percent to 5 percent per decade.

Their work built on several recent studies.

Earlier this year, a team of scientists from the Naval Research Laboratory and George Mason University, measuring changes in satellite drag, estimated that the density of the thermosphere declined in 2007-09 to about 30 percent less than during the previous solar minimum in 1996.

Other studies by scientists at the University of Southern California and CU, using measurements from sub-orbital rocket flights and space-based instruments, have estimated that levels of extreme-ultraviolet radiation-a class of photons with extremely short wavelengths-dropped about 15 percent during the same period.

However, scientists remained uncertain whether the decline in extreme-ultraviolet radiation would be sufficient to have such a dramatic impact on the thermosphere, even when combined with the effects of carbon dioxide.

To answer this question, Solomon and his colleagues turned to an NCAR computer tool, known as the Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model.

They used the model to simulate how the sun's output during 1996 and 2008 would affect the temperature and density of the thermosphere.

They also created two simulations of thermospheric conditions in 2008-one with a level that approximated actual carbon dioxide emissions and one with a fixed, lower level.

The results showed the thermosphere cooling in 2008 by 41 kelvins, or K (about 74 degrees Fahrenheit) compared to 1996, with just 2 K attributable to the carbon dioxide increase.

The results also showed the thermosphere's density decreasing by 31 percent, with just 3 percent attributable to carbon dioxide, and closely approximated the 30 percent reduction in density indicated by measurements of satellite drag.

"It is now clear that the record low temperature and density were primarily caused by unusually low levels of solar radiation at the extreme-ultraviolet level," Solomon says.

Woods says the research indicates that the sun could be going through a period of relatively low activity, similar to periods in the early 19th and 20th centuries.

This could mean that solar output may remain at a low level for the near future.

"If it is indeed similar to certain patterns in the past, then we expect to have low solar cycles for the next 10 to 30 years," Woods says.

Fonte da história:

Materiais fornecidos por National Science Foundation. Nota: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.