Composição da atmosfera terrestre pela quantidade de moléculas, sem o vapor de água. O gráfico inferior apresenta os gases-traço, que somam cerca de 0,0434% da atmosfera.
O nitrogênio, o oxigênio e o argônio são os constituintes mais abundantes da atmosfera terrestre. O vapor de água corresponde a cerca de 0,25% de sua massa. Na baixa atmosfera, a concentração de vapor de água, um gás de efeito estufa, varia de cerca de 10ppm em fração molar nas regiões mais frias a até 5% nas massas de ar quentes e úmidas. As concentrações dos demais gases atmosféricos costumam ser expressas para o ar seco, sem vapor de água.:8 Os gases restantes recebem o nome de gases-traço, entre os quais estão outros gases de efeito estufa, principalmente dióxido de carbono, metano, óxido nitroso e ozônio. Além do argônio, há outros gases nobres, como neônio, hélio, criptônio e xenônio. Mesmo filtrado, o ar contém traços de muitos outros compostos químicos.
A concentração de xenônio, Xe, na atmosfera é muito menor que a dos demais gases nobres, um mistério geológico chamado de "problema do xenônio ausente". Entre as explicações propostas estão a formação de óxidos de xenônio e ferro no manto inferior da Terra, a formação de dióxido de xenônio na sílica e reações do xenônio com ferro e níquel no núcleo terrestre.
Uma amostra de ar não filtrado pode conter pequenas quantidades de substâncias naturais na forma de aerossóis, cuja abundância muda conforme o lugar e a época do ano. Entre elas estão a poeira mineral e orgânica, o pólen, os esporos, a maresia e as cinzas vulcânicas. Também podem estar presentes poluentes industriais na forma de gases ou aerossóis, como o cloro, em estado elementar ou em compostos, compostos de flúor e vapor de mercúrio elementar. Compostos de enxofre, como o sulfeto de hidrogênio e o dióxido de enxofre, SO2, podem ter origem natural ou vir da poluição industrial do ar.
Fração volumétrica dos principais constituintes da atmosfera terrestre em função da altitude, calculada pelo modelo atmosférico MSIS-E-90. O modelo só se aplica acima de 85km.
A soma dos valores em ppm acima supera 1 milhão em 83,43ppm devido ao erro experimental. Notas A Na atmosfera, a pressão é suficientemente baixa para que as leis dos gases ideais tenham um erro inferior a 1%. Por isso, a fração molar é muito próxima da fração volumétrica.:4 B ppm significa partes por milhão, pela quantidade de moléculas. C A concentração de CO2aumentou nas últimas décadas, assim como a de CH4. D O vapor de água corresponde a cerca de 0,25% da massa de toda a atmosfera. E A concentração de vapor de água varia muito de um lugar para outro.
A massa molecular média do ar seco, usada para calcular densidades ou converter a fração molar em fração mássica, é de cerca de 28,946 ou 28,964g/mol.:257 Esse valor diminui quando o ar está úmido.
Até cerca de 100km de altitude, a turbulência atmosférica mistura os gases e mantém suas concentrações relativas. Entre aproximadamente 80 e 120km há uma zona de transição em que essa mistura turbulenta cede gradualmente à difusão molecular. Esse segundo processo dá origem à heterosfera, onde a concentração relativa dos gases mais leves aumenta com a altitude.
Estratificação
Corte da atmosfera terrestre em forma de prisma. As camadas estão em escala, mas os elementos individuais não.:322
Em geral, a pressão e a densidade do ar diminuem com a altitude. A temperatura segue um perfil menos uniforme e, em algumas regiões, pode permanecer relativamente constante ou até aumentar com a altitude, como apresentado na seção Temperatura. O padrão geral de variação da temperatura com a altitude, ou gradiente térmico vertical, é constante e pode ser medido por sondagens com balões meteorológicos equipados com instrumentos. Por isso, a temperatura permite distinguir as camadas atmosféricas. Essa estratificação atmosférica divide a atmosfera terrestre em cinco camadas principais, com as seguintes faixas típicas de altitude.
A exosfera é a camada mais externa da atmosfera terrestre. Ela é tão tênue que alguns cientistas a classificam como parte do espaço interplanetário. Estende-se da termopausa, também chamada de "exobase", no topo da termosfera, até um limite pouco definido com o vento solar e o meio interplanetário. A altitude da exobase varia de cerca de 500km a aproximadamente 1.000km quando a radiação solar recebida é mais intensa. O limite superior depende da definição adotada. Algumas definições o situam a cerca de 10.000km, e outras a aproximadamente 190.000km, quase a metade da distância até a Lua, onde a força da gravidade terrestre se equipara à pressão de radiação da luz solar. A geocoroa, visível no ultravioleta distante devido ao hidrogênio neutro, estende-se por pelo menos 100.000km.
Essa camada é composta principalmente de hidrogênio em densidades extremamente baixas, com pequenas quantidades de hélio, dióxido de carbono e oxigênio nascente mais perto da exobase. Os átomos e as moléculas ficam tão distantes uns dos outros que podem percorrer centenas de quilômetros sem colidir.:14–4 Nessas condições, a exosfera deixa de se comportar como um gás, e suas partículas escapam continuamente para o espaço. Essas partículas livres seguem trajetóriasbalísticas e podem entrar e sair da magnetosfera ou do vento solar. A cada segundo, a Terra perde cerca de 3kg de hidrogênio, 50g de hélio e quantidades muito menores de outros constituintes.
A exosfera está muito acima da superfície terrestre para que nela ocorram fenômenos meteorológicos. Muitos satélites artificiais que orbitam a Terra ficam nessa camada.
A termosfera é a segunda camada mais alta da atmosfera terrestre. Estende-se da mesopausa, que a separa da mesosfera a cerca de 80km de altitude, até a termopausa, entre 500 e 1.000km. A altura da termopausa varia bastante com a atividade solar. A passagem do terminador solar ao amanhecer e ao anoitecer provoca perturbações na densidade de fundo que chegam a um fator de dois ao longo dessa camada e predominam nessa região. Como a termopausa é o limite inferior da exosfera, também recebe o nome de exobase. A ionosfera, uma região com maior densidade de plasma, sobrepõe-se à termosfera e se estende de 50 a 600km acima da superfície terrestre.
A temperatura da termosfera aumenta gradualmente com a altitude e pode chegar a 1.500°C. Contudo, as moléculas estão tão distantes umas das outras que o conceito habitual de temperatura pouco se aplica à sensação de calor nessa camada. O aumento da temperatura resulta da absorção da radiação ultravioletaionizante e dos raios X emitidos pelo Sol. O ar é tão rarefeito que uma molécula, de oxigênio, por exemplo, percorre em média 1km entre colisões com outras moléculas. Embora haja uma alta proporção de moléculas com muita energia, uma pessoa em contato direto com a termosfera não a sentiria quente, pois sua densidade é baixa demais para transferir uma quantidade apreciável de energia para a pele ou retirá-la dela.
Essa camada não contém nuvens nem vapor de água. Nela ocorrem ocasionalmente fenômenos que não dependem da água atmosférica, como as auroras boreais e austrais, a cerca de 100km de altitude. As cores das auroras dependem das propriedades da atmosfera na altitude em que ocorrem. A mais comum é a aurora verde, produzida pelo oxigênio atômico no estado 1S, entre 120 e 400km de altitude. A Estação Espacial Internacional orbita na termosfera, entre 370 e 460km. Muitos outros satélites em órbita da Terra também se encontram nessa camada.
A mesosfera é a terceira camada mais alta da atmosfera terrestre e fica acima da estratosfera e abaixo da termosfera. Estende-se da estratopausa, a cerca de 50km de altitude, até a mesopausa, entre 80 e 85km acima do nível do mar. A temperatura diminui com a altitude até a mesopausa, o limite superior dessa camada intermediária. Esse é o lugar mais frio da Terra, com temperatura média em torno de −85°C. Como a atmosfera absorve as ondas sonoras a uma taxa proporcional ao quadrado da frequência, os sons audíveis produzidos no solo não chegam à mesosfera. Ondas infrassônicas podem alcançar essa altitude, mas é difícil emiti-las com alta potência.
Pouco abaixo da mesopausa, o ar é tão frio que até o escasso vapor de água dessa altitude pode se condensar em nuvens noctilucentes polares, formadas por partículas de gelo. São as nuvens mais altas da atmosfera e podem ser vistas a olho nu quando refletem a luz solar cerca de uma ou duas horas depois do pôr do sol, ou antes do nascer do sol. Elas são mais fáceis de observar quando o Sol está entre 4 e 16 graus abaixo do horizonte.
Em 1960, Joseph Kittinger bateu um recorde ao saltar de paraquedas de uma gôndola a 31,3km de altitude.
A estratosfera é a segunda camada mais baixa da atmosfera terrestre. Fica acima da troposfera, da qual é separada pela tropopausa. Estende-se do topo da troposfera, a aproximadamente 12km da superfície, até a estratopausa, entre cerca de 50 e 55km de altitude. Cerca de 99% da massa total da atmosfera se encontra abaixo de 30km, e a pressão atmosférica no topo da estratosfera é aproximadamente um milésimo da pressão ao nível do mar. A estratosfera contém a camada de ozônio, a porção da atmosfera terrestre com concentrações relativamente altas desse gás.
Na estratosfera, a temperatura aumenta com a altitude. Esse aquecimento resulta da absorção da radiação ultravioleta do Sol pela camada de ozônio, o que limita a turbulência e a mistura do ar. Embora a temperatura possa chegar a −80°C na tropopausa, o topo da estratosfera é muito mais quente e pode ficar pouco abaixo de 0°C. Essa camada distingue a Terra de Marte e Vênus, que não têm estratosfera devido à baixa abundância de oxigênio em suas atmosferas.
O perfil de temperatura da estratosfera cria condições atmosféricas muito estáveis. Por isso, ela não apresenta a turbulência que produz tantos fenômenos meteorológicos na troposfera e fica quase inteiramente livre de nuvens e de outras manifestações do tempo. Ainda assim, nuvens nacaradas, ou nuvens estratosféricas polares, podem aparecer na parte inferior dessa camada, onde o ar é mais frio. A estratosfera é a camada mais alta que pode ser alcançada por aviões a jato.
A Terra vista da órbita, com a luz solar avermelhada ao atravessar a troposfera e sombras projetadas por diferentes tipos de nuvem. A estratosfera forma uma faixa estreita de luz solar espalhada em azul ao longo do horizonte.
A troposfera é a camada mais baixa da atmosfera terrestre. Estende-se da superfície até uma altura média de cerca de 12km. Essa altitude varia de aproximadamente 9km nos polos geográficos a 17km no equador, com alguma variação conforme o tempo. Seu limite superior é a tropopausa, onde geralmente ocorre uma inversão térmica, com uma camada de ar relativamente quente sobre outra mais fria. Em outros lugares, esse limite é uma zona isotérmica, cuja temperatura não muda com a altitude.
Embora haja variações, a temperatura costuma diminuir com a altitude na troposfera, pois seu aquecimento ocorre principalmente pela transferência de energia da superfície. A parte mais baixa, junto ao solo, costuma ser a mais quente. Isso favorece a mistura vertical do ar, origem do nome da camada, derivado do grego τρόπος, tropos, que significa "volta". A troposfera contém cerca de 80% da massa da atmosfera terrestre. Ela é mais densa que todas as camadas acima porque suporta um peso atmosférico maior e, por isso, sofre maior compressão. Metade da massa total da atmosfera se concentra nos primeiros 5,5km da troposfera.
Quase todo o vapor de água da atmosfera se encontra na troposfera, onde ocorre a maior parte dos fenômenos meteorológicos da Terra. A capacidade da atmosfera de reter água diminui com a temperatura, e 90% do vapor de água fica na parte inferior da troposfera. Essa camada contém praticamente todos os gêneros de nuvens produzidos pela circulação ativa dos ventos. Contudo, nuvens de tempestade cumulonimbus muito altas podem atravessar a tropopausa e alcançar a parte inferior da estratosfera. A maior parte da aviação convencional opera na troposfera, a única camada acessível a aeronaves movidas a hélice. Os rastros de condensação se formam a partir da água emitida pelos motores a jato, em altitudes onde a temperatura atmosférica é de cerca de −53°C. Para motores modernos, isso costuma ocorrer a aproximadamente 7,7km.
Outras camadas
Além das cinco camadas principais, definidas sobretudo pela temperatura, outras podem ser distinguidas por propriedades diferentes.
A camada de ozônio fica na estratosfera. Nela, o ozônio atinge uma concentração máxima de 15 partes por milhão a 32km de altitude, muito acima da concentração na baixa atmosfera, mas ainda pequena em comparação com a dos principais componentes do ar. Ela se concentra na parte inferior da estratosfera, entre cerca de 15 e 35km,:260 embora sua espessura mude com a estação do ano e a localização geográfica. Aproximadamente 90% do ozônio da atmosfera terrestre está na estratosfera.
A ionosfera é uma região da atmosfera ionizada pela radiação solar. Nela ocorrem processos que produzem auroras, luminescência atmosférica e fenômenos do clima espacial. Durante o dia, estende-se de 50 a 1.000km e abrange a mesosfera, a termosfera e parte da exosfera. À noite, a ionização na mesosfera cessa em grande parte. A ionosfera forma o limite interno da plasmasfera, a região interna da magnetosfera. Seus efeitos têm aplicações práticas, como na propagação de ondas de rádio na Terra.
A homosfera e a heterosfera se distinguem pelo grau de mistura dos gases atmosféricos. A homosfera começa na superfície e abrange a troposfera, a estratosfera, a mesosfera e a parte mais baixa da termosfera. Nela, a composição química não depende da massa molecular, pois a turbulência mistura os gases. Essa camada relativamente homogênea termina na turbopausa, a cerca de 100km, altitude da linha de Kármán, adotada como limite do espaço pela Federação Aeronáutica Internacional. Esse limite fica aproximadamente 20km acima da mesopausa.
Acima dessa altitude está a heterosfera, que abrange a exosfera e a maior parte da termosfera. Nela, a composição química varia com a altitude porque a distância que as partículas percorrem sem colidir é grande em comparação com a escala dos movimentos que misturam os gases. Isso permite que os gases se estratifiquem conforme sua massa molecular. Os mais pesados, como oxigênio e nitrogênio, ficam apenas perto da base da heterosfera. Sua parte superior é composta quase inteiramente de hidrogênio, o elemento mais leve.
A camada limite planetária é a parte da troposfera mais próxima da superfície e diretamente afetada por ela, sobretudo pela difusão turbulenta. Durante o dia, o ar dessa camada costuma estar bem misturado. À noite, ela adquire uma estratificação estável, com mistura fraca ou intermitente. Sua espessura pode ser de apenas cerca de 100m em noites claras e calmas, chegando a 1.000–1.500m ou mais durante a tarde.
A barosfera é a região da atmosfera em que se aplica a lei barométrica. Estende-se do solo à termopausa. Acima dessa altitude, a distribuição de velocidades deixa de seguir a distribuição de Maxwell–Boltzmann, pois átomos e moléculas muito velozes conseguem escapar da atmosfera.
A temperatura média da atmosfera junto à superfície terrestre é de 14°C ou 15°C, conforme a referência adotada.
Propriedades físicas
Comparação entre a altitude geométrica e a densidade do ar, a pressão, a velocidade do som e a temperatura no modelo de atmosfera padrão dos Estados Unidos de 1962, com altitudes aproximadas de diferentes objetos.
A Atmosfera Padrão Internacional define a pressão atmosférica média ao nível do mar como 101.325Pa.:257 Esse valor corresponde a uma atmosfera padrão, unidade de pressão de símbolo atm. A massa total da atmosfera é de 5,1480 × 1018kg, cerca de 2,5% menor que o valor calculado a partir da pressão média ao nível do mar e da área terrestre de 51.007,2 milhões de hectares.:240 Essa diferença decorre do volume ocupado pelo relevo montanhoso da Terra. A pressão atmosférica é o peso total da coluna de ar por unidade de área no ponto em que se faz a medição. Por isso, ela varia com o lugar e as condições meteorológicas.
A pressão do ar diminui exponencialmente com a altitude, a uma taxa que depende da temperatura. Essa taxa é determinada por um parâmetro chamado altura de escala. A cada aumento de altitude equivalente a essa altura, a pressão diminui por um fator e, a base dos logaritmos naturais, aproximadamente 2,718. Na Terra, a altura de escala costuma ser de 5,5 a 6km para altitudes de até cerca de 80km. Modelos mais precisos usam uma equação específica para cada camada e levam em conta os gradientes de temperatura, a composição molecular, a radiação solar e a gravidade. Acima de 100km, os gases não estão bem misturados, e cada espécie química tem sua própria altura de escala. Entre 200 e 300km de altitude, a altura de escala conjunta é de 20 a 30km.
A massa da atmosfera terrestre tem a seguinte distribuição aproximada.
50% fica abaixo de 5,6km.
90% fica abaixo de 16km.
99,99997% fica abaixo de 100km, na linha de Kármán. Por convenção internacional, essa é a altitude em que começa o espaço e os viajantes passam a ser classificados como astronautas.
Para comparação, o cume do monte Everest fica a 8.848m. Os aviões comerciais costumam voar em cruzeiro entre 9 e 11,6km, onde a menor densidade e a menor temperatura do ar reduzem o consumo de combustível. Os balões meteorológicos chegam a cerca de 35km, e o voo mais alto do X-15, em 1963, alcançou 108,0km.
Mesmo acima da linha de Kármán, ainda ocorrem fenômenos atmosféricos como as auroras. Os meteoros começam a brilhar nessa região, embora os maiores possam penetrar mais fundo antes de se desintegrar. As camadas da ionosfera terrestre, que afetam a propagação de rádio em alta frequência, começam abaixo de 100km e se estendem além de 500km. A Estação Espacial Internacional costuma orbitar entre 370 e 460km, na camada F da ionosfera.:271 Nessa altitude, o arrasto atmosférico exige manobras de elevação da órbita a cada poucos meses. Sem elas, ocorreria decaimento orbital, seguido do retorno à Terra. Conforme a atividade solar, os satélites podem sofrer arrasto atmosférico perceptível até entre 600 e 800km de altitude.
A partir do nível do mar, a temperatura diminui com a altitude até a estratosfera, a cerca de 11km. Acima disso, ela se estabiliza ao longo de uma grande distância vertical. A partir de aproximadamente 20km, volta a aumentar com a altitude, devido ao aquecimento da camada de ozônio pela absorção de grande parte da radiação ultravioleta do Sol pelo oxigênio molecular e pelo ozônio. Outra região de aumento da temperatura com a altitude ocorre muito mais acima, na termosfera, a partir de 90km.
Durante a noite, o solo irradia mais energia do que recebe da atmosfera. A condução de energia do ar próximo para o solo mais frio cria uma inversão térmica, na qual a temperatura local aumenta com a altitude até cerca de 1.000m.
Em um gás ideal de composição constante, a velocidade do som depende apenas da temperatura, sem depender da pressão ou da densidade. Por isso, sua variação com a altitude na atmosfera acompanha o perfil de temperatura apresentado na ilustração, sem seguir as mudanças de densidade ou de pressão. Ao nível do mar, por exemplo, a velocidade do som é de 340m/s. À temperatura média da estratosfera, de −60°C, ela cai para 290m/s.
Temperatura e densidade de massa em função da altitude no modelo de atmosfera padrãoNRLMSISE-00. As oito linhas pontilhadas em cada intervalo de uma ordem de grandeza correspondem aos oito cubos 8, 27, 64, ..., 729.
A densidade do ar ao nível do mar é de cerca de 1,29kg/m³, equivalente a 1,29g/L ou 0,00129g/cm³.:257 Ela não é medida diretamente, mas calculada a partir da temperatura, da pressão e da umidade, com a equação de estado do ar, uma forma da lei dos gases ideais. A densidade atmosférica diminui com a altitude, e essa variação pode ser modelada de forma aproximada pela fórmula barométrica. Modelos mais elaborados são usados para prever o decaimento orbital de satélites.
A massa média da atmosfera é de cerca de 5 quatrilhões de toneladas, ou 5 × 1015t, equivalente a 1/1.200.000 da massa da Terra. O Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica dos Estados Unidos estimou a massa média total em 5,1480 × 1018kg, com uma variação anual decorrente do vapor de água de 1,2 × 1015 ou 1,5 × 1015kg, conforme sejam usados dados de pressão à superfície ou de vapor de água. Essa estimativa é um pouco menor que a anterior. A massa média do vapor de água foi estimada em 1,27 × 1016kg, e a do ar seco em 5,1352 × 1018kg, com incerteza de ±0,0003 × 1018kg.
Proporções da radiação solar absorvida, emitida e refletida pela atmosfera, pelas nuvens e pela superfície.
A radiação solar, ou luz do Sol, é a energia que a Terra recebe do Sol. A Terra também emite radiação para o espaço, mas em comprimentos de onda maiores, invisíveis aos seres humanos. Ao atravessar a atmosfera, a energia passa pelo processo de transferência radiativa. Parte da radiação recebida e emitida sofre absorção, emissão e espalhamento pela atmosfera. Outra parcela da energia incidente é refletida, sobretudo pela poeira e pelas nuvens. Conforme as propriedades dos aerossóis, as nuvens podem refletir até 70% da radiação incidente. No conjunto do planeta, elas refletem 20% da energia recebida, cerca de dois terços do albedo terrestre. Em maio de 2017, verificou-se que clarões vistos por um satélite a cerca de 1,6 milhão de quilômetros da Terra eram reflexos de luz em cristais de gelo da troposfera.
Ao atravessar a atmosfera terrestre, os fótons interagem com ela por meio do espalhamento. A luz que não interage com a atmosfera é chamada de radiação direta, como a que chega aos olhos quando se olha diretamente para o Sol. A radiação indireta é a luz que foi espalhada na atmosfera. Em um dia encoberto, por exemplo, uma pessoa pode não enxergar a própria sombra porque as nuvens espalham igualmente toda a luz solar, sem deixar passar radiação direta. No fenômeno chamado de espalhamento de Rayleigh, os comprimentos de onda mais curtos, azuis, são espalhados pelas partículas do ar com mais facilidade que os mais longos, vermelhos. O céu fica azul por causa dessa luz solar azul espalhada. O mesmo fenômeno torna avermelhados o nascer e o pôr do sol. Quando o Sol está perto do horizonte, seus raios atravessam uma porção maior da atmosfera antes de chegar aos olhos do observador. Grande parte da luz azul já foi espalhada, e a luz vermelha predomina.
Gráfico aproximado da transmitância da atmosfera terrestre, ou de sua opacidade, em diferentes comprimentos de onda da radiação eletromagnética, inclusive a luz visível.
Moléculas diferentes absorvem comprimentos de onda diferentes. O O2 e o O3, por exemplo, absorvem quase toda a radiação com comprimento de onda inferior a 300 nanômetros. A água, H2O, absorve radiação em muitos comprimentos de onda acima de 700nm. Quando uma molécula absorve um fóton, sua energia aumenta. Isso aquece a atmosfera, que também se resfria ao emitir radiação, como explicado a seguir. Na espectroscopia astronômica, a absorção de determinadas frequências pela atmosfera recebe o nome de contaminação telúrica.
Os espectros de absorção dos gases atmosféricos, em conjunto, deixam "janelas" de baixa opacidade, pelas quais apenas certas faixas de luz são transmitidas. A janela óptica vai de cerca de 300nm, no ultravioleta C, passa pelo espectro visível, normalmente chamado de luz, entre aproximadamente 400 e 700nm, e chega ao infravermelho, até cerca de 1.100nm. Há também janelas no infravermelho e no rádio, que deixam passar parte da radiação infravermelha e das ondas de rádio de maior comprimento de onda. A janela de rádio, por exemplo, vai de cerca de 1cm a aproximadamente 11m de comprimento de onda.
A emissão é o processo inverso da absorção, no qual um objeto emite radiação. A quantidade de radiação e seus comprimentos de onda dependem da curva de emissão de "corpo negro" do objeto. Objetos mais quentes tendem a emitir mais radiação, em comprimentos de onda menores. Os mais frios emitem menos radiação, em comprimentos de onda maiores. O Sol, por exemplo, tem temperatura aproximada de 6.000K, e sua emissão atinge o máximo perto de 500nm, visível ao olho humano. A Terra tem temperatura aproximada de 290K, com emissão máxima perto de 10.000nm, muito além do que o olho humano consegue enxergar.
Devido à sua temperatura, a atmosfera emite radiação infravermelha. Em noites claras, por exemplo, a superfície terrestre se resfria mais depressa que em noites nubladas, pois a água das nuvens absorve e emite radiação infravermelha com eficiência. Esse processo também explica por que as noites são mais frias em altitudes elevadas.
O efeito estufa decorre diretamente dessa absorção e emissão. Alguns gases da atmosfera absorvem e emitem radiação infravermelha, mas não interagem da mesma forma com a luz solar do espectro visível. CO2 e H2O são exemplos comuns. Sem os gases de efeito estufa, a temperatura média da superfície terrestre seria de −18°C, abaixo do ponto de congelamento da água, em vez da média de 15°C.
O índice de refração do ar é próximo de 1, mas ligeiramente maior. Variações sistemáticas desse índice podem curvar os raios de luz ao longo de trajetos extensos. Em certas condições, por exemplo, uma pessoa a bordo de um navio consegue ver outra embarcação pouco além do horizonte, pois a luz se refrata na mesma direção da curvatura da superfície terrestre.
O índice de refração do ar depende da temperatura, e gradientes de temperatura acentuados produzem efeitos como a miragem.
Esquema idealizado dos três pares de grandes células de circulação.
A circulação atmosférica é o movimento do ar em grande escala pela troposfera. Junto com a circulação oceânica, ela distribui calor pelo planeta. Sua organização em grande escala muda de um ano para outro, mas a estrutura básica permanece relativamente constante, pois depende da velocidade de rotação da Terra e da diferença de radiação solar entre o equador e os polos. A inclinação do eixo terrestre faz com que a região mais aquecida mude continuamente, produzindo variações sazonais. A distribuição desigual de terras e águas também interrompe o fluxo do ar.
O fluxo de ar ao redor do planeta se divide em três células de convecção principais, conforme a latitude. Perto do equador, a célula de Hadley é movida pelo ar que sobe ao longo da linha do equador. Na alta atmosfera, esse ar segue em direção aos polos. Nas latitudes médias, a circulação se inverte, e o ar próximo ao solo flui em direção aos polos na célula de Ferrel. Nas altas latitudes fica a célula polar, em que o ar volta a subir e a fluir em direção aos polos.
As correntes de jato se formam nas zonas de encontro dessas células. São faixas estreitas de ventos velozes que sopram de oeste para leste, geralmente a cerca de 9.100m de altitude. Sua posição pode mudar conforme as condições. Elas são mais fortes no inverno, quando a diferença entre as massas de ar quente e frio é maior. Nas latitudes médias, as instabilidades das correntes de jato movem os sistemas meteorológicos.
Assim como os oceanos, a atmosfera terrestre está sujeita a ondas e forças de maré, provocadas, respectivamente, pelo aquecimento desigual do Sol e pelo ciclo solar diário. As ondas podem ocorrer em escalas muito diferentes, desde pequenas ondas de gravidade, que transferem quantidade de movimento às camadas superiores, até ondas planetárias muito maiores, como as ondas de Rossby. As marés atmosféricas são oscilações periódicas da troposfera e da estratosfera que transportam energia para a alta atmosfera.
Há cerca de 3,4 bilhões de anos, o nitrogênio era o principal componente dessa "segunda atmosfera", então estável. A evolução da vida passou a afetar a atmosfera ainda muito cedo, pois os vestígios das primeiras formas de vida remontam a cerca de 3,5 bilhões de anos. A questão de como a Terra manteve um clima quente o suficiente para a água líquida e a vida, quando o Sol emitia 30% menos radiação, recebe o nome de "paradoxo do Sol jovem fraco".
Os dados geológicos mostram uma superfície relativamente quente ao longo de todo o início do registro de temperaturas da Terra, com exceção de uma fase glacial fria há cerca de 2,4 bilhões de anos. No fim do Neoarqueano, começou a se desenvolver uma atmosfera com oxigênio, aparentemente após um bilhão de anos de fotossíntese de cianobactérias, no chamado Grande Evento de Oxigenação. Há fósseis desses organismos em estromatólitos de 2,7 bilhões de anos. As proporções isotópicas do carbono primitivo apontam para condições semelhantes às existentes e para o estabelecimento dos processos fundamentais do ciclo do carbono já há 4 bilhões de anos.
A reorganização constante dos continentes pela tectônica de placas modifica a atmosfera a longo prazo, ao transferir dióxido de carbono para grandes depósitos continentais de carbonato e liberá-lo deles. O oxigênio livre só começou a se acumular na atmosfera há cerca de 2,4 bilhões de anos, durante o Grande Evento de Oxigenação. O fim das formações ferríferas bandadas, no início do éon Proterozoico, registra o esgotamento dos substratos que podiam reagir com o oxigênio e formar depósitos férricos.
Antes disso, o oxigênio produzido pela fotossíntese das cianobactérias era rapidamente consumido pela oxidação de substâncias redutoras na superfície terrestre, sobretudo ferro ferroso, enxofre e metano atmosférico. As moléculas de oxigênio livre só começaram a se acumular quando sua produção passou a superar a disponibilidade de materiais redutores que o removiam. Essa mudança transformou uma atmosfera redutora em uma atmosfera oxidante. O teor de O2 variou muito durante o Proterozoico, que teve um intervalo de um bilhão de anos de euxinia, até se estabilizar acima de 15% no fim do Pré-Cambriano.
A quantidade de oxigênio na atmosfera oscilou ao longo dos últimos 600 milhões de anos e atingiu um pico de cerca de 35% há aproximadamente 280 milhões de anos, no intervalo entre o Carbonífero e o Permiano, muito acima dos 21% existentes. Dois processos principais regulam as mudanças na atmosfera, a evolução das plantas e o aumento de sua fixação de carbono, além do consumo de oxigênio pela fauna de animais em rápida diversificação e pelas próprias plantas, na fotorrespiração e no metabolismo noturno. A decomposição da pirita e as erupções vulcânicas liberam enxofre, que reage com o oxigênio e reduz sua quantidade na atmosfera. As erupções também liberam dióxido de carbono, que pode alimentar a fotossíntese oxigênica das plantas terrestres e aquáticas. As causas das variações do oxigênio atmosférico ainda não são compreendidas com precisão. Intervalos com mais oxigênio frequentemente coincidiram com um desenvolvimento mais rápido dos animais.
Animação do acúmulo de CO2 na troposfera do hemisfério norte, com um máximo por volta de maio. O ciclo da vegetação atinge seu máximo no fim do verão. Depois desse pico, a redução do CO2 atmosférico pela fotossíntese fica evidente, sobretudo sobre as florestas boreais.
Em meados do século XVII, Evangelista Torricelli usou uma coluna de mercúrio para medir a pressão exercida pelo ar, dando origem ao barômetro. Em 1648, uma experiência proposta por Blaise Pascal comparou a altura da coluna de mercúrio na base e no alto do Puy de Dôme. A coluna mais baixa no alto da montanha confirmou que a pressão atmosférica diminui com a altitude.
No fim do século XIX, instrumentos levados por balões meteorológicos permitiram medir a temperatura acima das altitudes alcançadas nas montanhas. No início do século XX, a propagação de sinais de rádio a grandes distâncias levou à investigação de uma camada eletricamente condutora na alta atmosfera, que recebeu o nome de ionosfera. A partir da década de 1940, foguetes de sondagem passaram a levar instrumentos à alta atmosfera. Os satélites artificiais ampliaram essas observações, permitindo acompanhar suas condições por períodos mais longos.
Ver também
Biosfera, conjunto das regiões da Terra onde existe vida.
Hidrosfera, conjunto das águas do planeta, que trocam calor e umidade com a atmosfera.
Litosfera, camada rochosa externa da Terra, que participa das trocas de matéria com a atmosfera.
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