Como é formada a ATMOSFERA TERRESTRE

Atmosfera

O desempenho das aeronaves e motores depende da combinação de temperatura, pressão e densidade do ar circundante. Como isso acontece é importante o estudo da atmosfera terrestre e suas características.

A atmosfera é a camada constituída por uma mistura gasosa próxima da superfície do globo terrestre e que roda com este a mesma velocidade média.

As suas características variam com a altitude, época do ano, latitude e longitude, com as características do local e mesmo com a hora do dia.

O movimento das massas de ar e as alterações sazonais produzem grandes variações nas propriedades da atmosfera.

A atmosfera de referência mais comum é baseada nas condições das latitudes medias do hemisfério norte e é chamado de International Standard Atmosphere (ISA).

Composição Atmosférica Terrestre

Os gases encontrados na atmosfera seguem as seguintes proporções:
Nitrogênio (78%);
Oxigênio (21%);
Outros Gases (1%)

Estas proporções são alteradas com a altitude. O oxigênio é essencial para a vida e para a combustão dos materiais.

No contexto da aviação, o oxigênio é requerido para a combustão do combustível, um défice deste gás resulta na combustão incompleta e numa eficiência reduzida do motor.

O vapor de água está presente na atmosfera em proporções variadas e e, em grande parte, responsável pelo clima em redor da Terra.

O clima, por sua vez, afeta as operações e desempenho da aeronave. Além disso, a presença de vapor de água pode levar a acumulação de gelo na estrutura ou no motor de uma aeronave.

Aqui, vamos assumir que o ar é um gás perfeito constituído por partículas neutras em equilíbrio químico.

Atmosfera Padrão Internacional (ISA) (International Standard Atmosphere)

Camadas da atmosfera

A atmosfera está dividida em camadas com características diferentes.
As camadas mais importantes para o estudo do desempenho são as duas mais próximas da superfície da Terra:

1. Troposfera;
2. Estratosfera;

A primeira camada, a Troposfera, começa ao nível do mar e caracteriza-se pela diminuição linear da temperatura do ar em função da altitude.

A camada que se segue é a Estratosfera, que começa aos 1100 metros e podemos Identificar duas subcamadas importantes para a aviação: a tropopausa e a estratosfera baixa.

Na tropopausa, a temperatura é constante desde os 1100 até aos 20.000 metros de altitude. Na estratosfera baixa ocorre um aumento linear da temperatura, entre os 20.000 metros até aos 32.000 metros.

Propriedades da Atmosfera

As propriedades mais importantes da atmosfera para o comportamento aerodinâmico das aeronaves são:

1. Pressão;
2. Temperatura;
3. Densidade, densidade absoluta ou Massa específica;
4. Viscosidade.

Pressão atmosférica

Para entender o que é, exatamente, pressão atmosférica, vamos falar primeiramente sobre o conceito de Pressão.

Pressão é uma força exercida sobre uma determinada área. Assim, em Física, ela é calculada da seguinte forma:

Como a força é sempre medida em N (newtons) e a unidade de área costuma ser em m², a unidade de medida da pressão é N/m², também chamada de Pascal (pa).

A pressão atmosférica   é a força que o peso do ar exerce numa superfície e atua uniformemente em todas as direções.

Se ar em movimento   colocado em repouso contra um objeto, a energia cinética é transformada em energia de pressão.

Esta pressão sob a superfície do corpo que faz com que o ar em movimento pare é chamada de pressão dinâmica .

Temperatura

A temperatura absoluta do ar é outra propriedade importante.

As escalas mais comuns de temperatura são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin.

A temperatura é uma grandeza que quantifica energia cinética e está relacionada com o movimento aleatório das moléculas numa substancia.

Se a temperatura é reduzida, as moléculas tornam-se menos ativas.

A temperatura mínima de qualquer substância é de, aproximadamente, -273°, ou seja, 0K (Kelvin). Esta temperatura é chamada de zero absoluto e ilustra a completa imobilidade das partículas de uma substância.

A temperatura padrão ao nível do mar tem o valor de 15 °, o corresponde a temperatura de 288.15K. A fórmula que converte graus Celsius em Kelvin é a seguinte:

K = C + 273:15

Densidade

É a propriedade do ar com efeitos de maior peso na aerodinâmica de uma aeronave. É uma medida direta da quantidade de matéria por unidade de volume.

Onde:

m = Massa [kg];

V = volume [m³].

Parâmetros de referência

Atmosfera padrão internacional ou ISA (do inglês International Standard Atmosphere) é um modelo atmosférico terrestre invariável criado pela Organização de Aviação Civil Internacional (OACI).

Os parâmetros de referência da atmosfera ISA ao nível médio das águas  do mar são:

Nível do ma: Valor médio da Terra, considerada como uma esfera lisa, perfeita e volume correspondente ;

– Altitude: Distância vertical que separa um ponto no espaço do nível do mar;

– Altura: Distância vertical que separa um ponto no espaço da superfície do solo;

– Nível: Qualquer superfície paralela à superfície do mar;

– Pressão ao nível do mar: 1013,25 hPa (hectoPascal) ou 29,92in Hg (polegadas de Mercúrio) ;

– Temperatura do nível do mar: 15°C ou 59ºF;

– Gradiente vertical térmico:  0,65°C/100m ou 2° C/1000ft;

– Velocidade do som ao nível do mar: 340 m/s ou 660 Kt;

– Latitude: 45°N ou 45°S.

Glossário — Atmosfera Terrestre

Clique em um termo para ir direto à definição:

• Aerodinâmica
• Altitude
• Altura
• Atmosfera
• Atmosfera Padrão Internacional (ISA)
• Camadas da atmosfera
• Composição da atmosfera
• Densidade (massa específica)
• Energia cinética
• Estratosfera
• Gás perfeito
• Gradiente térmico vertical
• Kelvin (K)
• Latitude de referência
• Nível (superfície de nível)
• Nível do mar (MSL)
• Parâmetros de referência da ISA (ao nível do mar)
• Pressão
• Pressão atmosférica
• Pressão dinâmica
• Propriedades da atmosfera
• Temperatura
• Troposfera
• Tropopausa
• Velocidade do som
• Viscosidade
• Vapor d’água (umidade/gelo)
• Zero absoluto

Aerodinâmica

Estudo de como o ar interage com corpos em movimento (como aeronaves). Na aviação, as principais propriedades do ar que influenciam a aerodinâmica são pressão, temperatura, densidade e viscosidade.

Altitude

Distância vertical entre um ponto no espaço e o nível médio do mar. É a referência “padrão” para medir quão alto algo está em relação ao mar.

Altura

Distância vertical entre um ponto no espaço e a superfície do solo diretamente abaixo. É uma medida “local”, diferente da altitude.

Atmosfera

Envoltório gasoso da Terra, que gira com o planeta e tem propriedades que variam com altitude, estação do ano, latitude/longitude e hora do dia. Seu comportamento afeta diretamente o desempenho das aeronaves.

Atmosfera Padrão Internacional (ISA)

Modelo atmosférico de referência, fixo e idealizado, adotado para padronizar cálculos e ensaios. Define condições “padrão” (pressão, temperatura, gradiente térmico etc.) ao nível do mar e a variação com a altitude.

Camadas da atmosfera

Divisão didática em faixas com características diferentes. Para o desempenho aeronáutico, destacam-se as camadas mais próximas da superfície: troposfera e estratosfera, separadas pela tropopausa.

Composição da atmosfera

Mistura de gases majoritariamente com nitrogênio (~78%), oxigênio (~21%) e outros gases (~1%). O teor de vapor d’água varia e influencia clima, formação de gelo e desempenho de motores.

Densidade (massa específica)

Quantidade de matéria por unidade de volume do ar. É uma das propriedades que mais afetam sustentação e tração do motor: ar menos denso (maior altitude/temperatura) tende a reduzir desempenho.

Energia cinética

Energia associada ao movimento. Quando o ar em movimento é “parado” por um corpo, parte dessa energia transforma-se em pressão sobre a superfície (base para a ideia de pressão dinâmica).

Estratosfera

Camada acima da troposfera. Próximo à sua base, a temperatura pode se manter quase constante; acima, tende a aumentar com a altitude. Em aviação, costuma-se considerar subfaixas como tropopausa e estratosfera baixa.

Gás perfeito

Modelo simplificado em que o ar é tratado como um gás ideal (partículas neutras em equilíbrio químico), útil para cálculos de desempenho e estudos introdutórios.

Gradiente térmico vertical

Taxa “padrão” de variação da temperatura com a altura na troposfera (valor de referência na ISA). Esse gradiente explica por que o ar costuma ficar mais frio com o aumento de altitude nessa camada.

Kelvin (K)

Escala absoluta de temperatura usada em ciência e engenharia. A conversão comum no material introdutório é K = °C + 273,15. Trabalhar em Kelvin facilita fórmulas termodinâmicas.

Latitude de referência

Valor de latitude usado como referência na ISA (45°N ou 45°S) para representar condições médias das latitudes médias do hemisfério norte.

Nível (superfície de nível)

Qualquer superfície paralela ao nível médio do mar. É uma forma de descrever “camadas” horizontais de referência na atmosfera.

Nível do mar (MSL)

Referência padrão para altura/pressão/temperatura na modelagem atmosférica. Vários parâmetros “padrão” da ISA são definidos ao MSL.

Parâmetros de referência da ISA (ao nível do mar)

Conjunto de valores adotados como padrão: pressão ao nível do mar (1013,25 hPa), temperatura ao nível do mar (15 °C), gradiente térmico vertical na troposfera, velocidade do som “padrão” ao nível do mar, entre outros.

Pressão

Força aplicada por unidade de área. No SI mede-se em Pascal (Pa), que equivale a N/m². Em aviação, também se usa hPa e polegadas de mercúrio (inHg).

Pressão atmosférica

Força exercida pelo “peso” da coluna de ar sobre uma superfície. Age em todas as direções e varia com a altitude e as condições meteorológicas.

Pressão dinâmica

Pressão associada ao ar em movimento ao ser desacelerado por um corpo. É central para o cálculo de velocidade indicada e forças aerodinâmicas.

Propriedades da atmosfera

Grandezas do ar relevantes para aeronaves: pressão, temperatura, densidade (massa específica) e viscosidade. A combinação dessas variáveis determina o desempenho.

Temperatura

Grandeza relacionada à energia cinética média das moléculas. Pode ser expressa em °C, °F ou K. Ao subir em altitude na troposfera, a tendência é diminuir (conforme o gradiente térmico padrão).

Troposfera

Camada mais baixa da atmosfera, onde ocorrem a maior parte dos fenômenos meteorológicos. Caracteriza-se por queda aproximada da temperatura com a altitude (gradiente térmico padrão da ISA).

Tropopausa

Zona de transição entre troposfera e estratosfera, onde a temperatura tende a se manter quase constante antes de voltar a aumentar nas camadas superiores.

Velocidade do som

Velocidade de propagação de ondas sonoras no ar. Depende da temperatura (entre outros fatores) e é usada como referência para número de Mach na aviação.

Viscosidade

Medida da “resistência ao escoamento” de um fluido. No ar, influencia as forças de atrito que agem sobre a aeronave.

Vapor d’água (umidade/gelo)

Conteúdo de água na atmosfera em forma gasosa. Afeta o clima e a operação: pode favorecer formação de gelo na estrutura ou no motor, alterando desempenho e segurança.

Zero absoluto

Temperatura teórica (0 K) em que as partículas teriam energia cinética mínima. Em °C, corresponde a aproximadamente −273 °C.

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FAQ — Perguntas Frequentes

P: Por que usamos a ISA em aviação?

R: Para padronizar cálculos, ensaios e comparações. A ISA define valores de referência (pressão, temperatura, gradiente etc.) e como variam com a altitude, evitando “cada um usar um clima”.

P: Qual a diferença entre altitude, altura e nível?

R: Altitude é a distância vertical em relação ao nível do mar; altura é a distância vertical até o solo local; nível é uma superfície paralela ao nível do mar (serve como referência horizontal).

P: Como densidade do ar afeta sustentação e motor?

R: Ar menos denso reduz a quantidade de moléculas “disponíveis” por volume. Isso tende a diminuir a sustentação gerada pela asa e a eficiência de entrada de ar no motor, exigindo ajustes operacionais.

P: Por que a temperatura costuma cair com a altitude na troposfera?

R: Porque o ar é aquecido principalmente a partir da superfície da Terra. Ao se elevar, o ar se expande e esfria, resultando na queda aproximada de temperatura com a altura (gradiente térmico padrão).

P: O que é tropopausa e por que importa?

R: É a região de transição entre troposfera e estratosfera, onde a temperatura tende a estabilizar. Ela marca mudanças importantes no comportamento térmico do ar e, portanto, na performance e meteorologia.

P: Quando usar Kelvin (K) em vez de °C?

R: Em fórmulas de termodinâmica e gases ideais. O Kelvin é uma escala absoluta (começa no zero absoluto), o que simplifica equações e evita erros.

P: O que significa “pressão dinâmica” na prática do voo?

R: É a parte da pressão do ar associada à sua velocidade relativa. Ela está por trás da leitura de velocidade indicada e do cálculo de forças aerodinâmicas, como sustentação e arrasto.

P: Para que servem os “parâmetros ao nível do mar” da ISA?

R: São pontos de partida comuns (ex.: pressão e temperatura padrão) para calcular como as condições mudam com a altitude e para comparar desempenhos entre aeronaves e voos.

P: Umidade realmente influencia a operação?

R: Sim. Além de afetar o clima, a umidade pode induzir formação de gelo em partes da aeronave ou na admissão do motor, alterando desempenho e exigindo procedimentos específicos.