A alta atmosfera

Básico

As medições na Estratosfera

Quando falamos de concentrações de compostos químicos na estratosfera, surge naturalmente a questão de como se conhecem tais compostos. Como se observa e conhece a estratosfera, se ela começa entre os 8 km e os 15 km de altitude, e as regiões de interesse se encontram em altitudes onde os aviões mais comuns não voam ?

Existem duas possibilidades para medir os compostos na estratosfera:

1. Os instrumentos podem ser levados até à estratosfera em aeronaves especiais ou em balões (balões-sonda).
2. A interacção da luz com as moléculas do ar pode ser utilizada para estudar a estratosfera a partir da superfície da Terra ou a partir do espaço (utilizando satélites).

Aviões

Foi possível realizar medições únicas através da utilização de aviões especiais, como o antigo avião espião Russo de alta altitude, denominado hoje "Geophysica". Este avião foi convertido num laboratório e pode atingir altitudes de cerca de 20 km. Mas os seus voos são muito dispendiosos e como emitem compostos químicos que poluem a estratosfera, não são utilizados muito frequentemente.

Balões-sonda

Uma alternativa mais comummente utilizada é a medição efectuada em balão. Os balões meteorológicos atingem altitudes entre 30 km a 35 km antes de rebentarem e transportam, entre outros instrumentos, pequenos sensores de ozono. No sensor ocorre uma reacção química que nos permite saber a quantidade de ozono que existe no ar. Esta informação é enviada por rádio para a Terra. Apesar de o ozono ser, hoje em dia, medido por satélites, as medições obtidas através de balões são mais adequadas para a elaboração dos perfis verticais.

Interacção com a luz

Os fenómenos de interacção da luz com as moléculas são de compreensão difícil e requerem algum conhecimento de física quântica. Contudo, de uma forma muito simplificada, podemos dizer que algo acontece quando a luz e a matéria interagem. A luz pode ser absorvida, reflectida, refractada ou absorvida e posteriormente reflectida sob uma outra forma (ou seja, com outro comprimento de onda).

Vemos que a luz solar directa pode ser obstruída pelas nuvens; quando mergulhamos no mar alto tudo fica cada vez mais escuro, pois cada vez mais luz se perde na água; também uma tempestade de areia no deserto torna o sol pálido. Mas não são apenas as nuvens, a água e as partículas de grandes dimensões que absorvem ou reflectem a luz; as moléculas mais pequenas também o fazem. Elas podem dispersar a luz de volta à Terra ou absorvê-la, alterando o seu estado e emitindo radiação menos energética, de outro comprimento de onda. Estes fenómenos (fluorescência ou fosforescência) são conhecidos dos brinquedos que retêm luz e emitem luz de cor diferente no escuro. As características da radiação recebida dá-nos informação acerca dos compostos existentes; a sua intensidade depende da sua concentração.

As interacções da luz com as moléculas na estratosfera podem ser observadas a partir da superfície ou podem ser medidas a partir do espaço com os satélites.

LIDAR

O LIDAR (do inglês “LIght Detection And Ranging”) é um instrumento que pode ser utilizado a partir da superfície da Terra. Envia-se para o céu um impulso curto de laser muito energético. A luz é então refractada ou reemitida pelas moléculas e retorna ao LIDAR, que a mede.
 

Com esta técnica obtemos informações sobre os compostos encontrados (pelo comprimento de onda da luz devolvida) e sobre a sua concentração (pela intensidade da luz devolvida).

Mas como sabemos de que altitude regressa a luz ? De 10 km ? 30 km ? A luz tem uma velocidade conhecida. Medimos o tempo que a luz leva a regressar ao LIDAR, após um impulso laser. Quanto mais tempo a luz demorar a regressar, mais elevada é a altitude a que se encontram as moléculas que enviaram a luz. 
 
A animação à esquerda mostra um impulso laser de um LIDAR cuja luz é refractada pelas moléculas de ar em altitudes diferentes. A luz chega ao detector do LIDAR em instantes distintos.
 

RADAR e SODAR

Existem outras técnicas de detecção de radiação, utilizando nomeadamente a radiação infravermelha. A mais conhecida é o RADAR (do inglês “RAdio Detection And Ranging”) que utiliza ondas de rádio para medir as partículas no ar e as propriedades das nuvens. O RADAR permite também seguir tempestades ao longo de várias centenas de quilómetros. Se se utilizar o som em vez da “luz” (SODAR = “SOund Detection And Ranging”) obtém-se uma ferramenta poderosa para medir a celeridade e a direcção do vento.

Satélites

Os satélites permitem observar o nosso planeta a partir do espaço. Alguns mantêm-se sempre sobre a mesma região da Terra (são os satélites geostacionários), enquanto outros orbitam a altitudes entre 500 km e 1000 km e demoram entre 1,5 a 2 horas a completar uma volta à Terra. Alguns satélites têm espectrómetros instalados, i.e. instrumentos que medem a radiação que atravessou a atmosfera e interagiu com as suas moléculas.

A investigação da atmosfera é possível, hoje em dia, utilizando diversos tipos de medições.

Os satélites podem medir:

1. a luz solar que é refractada pelas nuvens ou pelas moléculas do ar;

2. a radiação de longo comprimento de onda emitida pela Terra, através de um espectrómetro de infravermelho;

3. consoante as posições relativas do Sol, da Terra e do satélite, os raios solares passam a Terra tangencialmente, atravessam a atmosfera e vão directamente ao detector do satélite.

Dependendo do ângulo com que a luz passa através das diferentes zonas da atmosfera, e da altitude, podemos obter informação adicional.

Páginas relacionadas:

Para aprender mais sobre como a luz e a matéria interagem, veja:
A Baixa Atmosfera - Mais - Unidade 1 - Observaçao por espectroscopia

Acerca desta página:

Autor: Dr. Elmar Uherek - MPI Mainz
Revisão científica: Dr. John Crowley, MPI for Chemistry, Mainz - 2004-05-04
Revisão educacional: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
Versão portuguesa: Margarida L. R. Liberato - Dep. de Física, UTAD, Portugal

Última actualização: 2008-10-09