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TEMA 4 – EFEITO ESTUFA Como visto anteriormente, a radiação de alta energia procedente do sol é absorvida nas camadas altas da atmosfera, de maneira que a radiação que chega à superfície da Terra é UVA, VIS e IR (λ ≥ 330 nm). Pela sua vez, a Terra absorve uma parte desta radiação para aquecer a superfície e emite outra parte na forma de rad. na faixa do IR térmico (IR que emite calor, λ: 4-50 µm). Este calor seria dissipado no espaço se não fosse pelos gases de nossa atmosfera, principalmente H2O e CO2. Estes são chamados de gases estufa porque absorvem parte da rad. IR emitida pela Terra e a difundem em todas as direções, de maneira que uma parte da Rad. IR volta à superfície da Terra aquecendo-a. Os gases estufa possibilitam o desenvolvimento da vida no planeta, ao mesmo tempo em que são fruto dessa vida. Comparação entre a composição e a temperatura da atmosfera dos planetas. Mercúrio* Venus Terra sem vida Marte Terra atual CO2 (%) 3,6 98 98 95 0,03 N2 (%) 5,2 1,9 1,9 2,7 79 O2 (%) 5,6 Traço Traço 0,13 21 Ar (%) 7,0 0,1 0,1 2 1 Temp. Média Sup. (°C) 169 477 290 ± 50 -53 13 * A atmosfera de Mercúrio é muito tênue e contém potássio e sódio como elementos majoritários. A temperatura média em Mercúrio é menor que em Venus, apesar de o primeiro estar mais próximo do sol. A elevada concentração de CO2 na atmosfera de Venus deve contribuir a sua elevada temperatura média na superfície. Na Terra, as plantas consumem CO2 e liberam oxigênio na fotossíntese. O oxigênio possibilita a vida aeróbia, mas é muito oxidante, de modo que para fazer possível a vida, está diluído na atmosfera com nitrogênio (inerte). Fotossíntese: 6 CO2 + 6 H2O + hν → 6 C6H12O6 + 6 O2 (respiração organismos aeróbicos) A temp. média na superf. da Terra é de 13,5 °C porque existem na atmosfera o vapor de água e uma pequena concentração de dióxido de carbono, entre outros gases, que aquecem o planeta na justa medida. Com elevadas concentrações de CO2 (Terra sem vida) a temperatura seria muito alta dada a proximidade ao sol e com concentrações menores a temperatura seria muito baixa, pois a radiação IR emitida pela Terra escaparia para o espaço exterior. Como funcionam os gases estufa? Eles absorvem as radiações IR que permitem que suas ligações vibrem. Transformam luz IR em energia de vibração e quando as moléculas voltam ao estado fundamental (mínima energia) liberam a energia absorvida em todas as direções. O efeito dos gases da atmosfera é comparável ao de uma estufa, que deixa penetrar a rad. solar, mas não deixa o calor sair. Pattern of absorption bands created by greenhouse gases in the atmosphere and their effect on both solar radiation and upgoing thermal radiation. IR: λ = 0,8 - 100 µm IR térmico: 4 – 50 µm Janela de passagem livre de radiação para a atmosfera: λ = 8 - 13 µm. Condições para absorção de luz IR a) As moléculas devem possuir ligações covalentes; b) As ligações covalentes devem vibrar por efeito da radiação IR, ou seja, a energia da radiação IR deve coincidir com a energia de algum movimento de vibração da molécula. c) A vibração deve provocar uma mudança no momento dipolar da molécula (∆µ≠0). Moléculas diatômicas homonucleares não absorvem radiação IR (µ=0). Portanto, O2 e N2 não apresentam efeito estufa. O monóxido de carbono (C≡O) absorve radiação IR, mas não é um gás estufa, porque não absorve radiação IR térmica, absorve radiação IR de maior energia dado que é necessária mais energia para fazer vibrar uma ligação tripla que uma dupla (caso do CO2: O=C=O). Modos de vibração do CO2. Espectro IR do Dióxido de Carbono. Na vibração de tensão simétrica do CO2 não é absorvida luz IR porque não existe variação no momento dipolar da molécula durante a vibração: ←→ Soma vetorial = 0. νas: 4,5 µm ; δip+oop: 15 µm Modos de vibração da molécula de água. Espectro IR da água. Influência do Vapor de Água É mais abundante que o CO2, a água é o gás de maior efeito estufa (responsável pelo 80% do mesmo). Seu efeito é visível no fato de que a diferença de temp. entre o dia (iluminação solar + emissão IR da Terra + absorção/emissão de IR térmico pelo vapor de água) e a noite (emissão IR + absorção/emissão de IR térmico pelo vapor de água) é muito mais acusada em climas secos que em climas úmidos. Nos desertos faz muito calor durante o dia e muito frio à noite. A água é capaz de absorver muito calor com leves aumentos de sua temperatura, fato que modula o clima. A água absorve luz IR de λ < 8 µm e λ > 20 µm. Influência do Dióxido de Carbono É muito menos abundante que a água, embora sua distribuição seja mais uniforme, pelo que seu efeito sobre a temperatura tem em princípio menor importância. Seu efeito é visível no fato de que a diferença de temp. entre o dia e a noite é muito mais acusada no campo que nas cidades, dada a maior concentração de CO2 em estas pela combustão dos motores dos automóveis. O CO2 é muito estável e inerte, é a forma mais oxidada do carbono, pelo que seu tempo de residência na atmosfera é considerado de 50-200 anos. Sua forma de remoção da atmosfera é via fotossíntese pelas plantas: 6CO2 + 6H2O + hν → C6H12O6 + 6O2 Mesmo transformado em matéria orgânica, o CO2 voltará para a atmosfera (respiração, decomposição, queima da planta, etc.), de maneira que o único sumidouro definitivo para o CO2 é sua acumulação no fundo dos oceanos, aonde demora centenas de anos para chegar. O CO2 absorve luz IR de λ = 13-18 µm, ou seja, onde o vapor de água absorve pouco. Fontes: - Naturais: respiração de organismos aeróbios, atividade vulcânica; - Antrópicas: combustão de derivados do petróleo, combustão de carvão, desmatamento e queimadas de florestas. Combustão: Queima de compostos a base de carbono em presença de oxigênio para dar CO2 e água. Influência do Metano É o terceiro gás em importância com respeito ao efeito estufa. Seu potencial de aquecimento por molécula de gás é 21 vezes maior que o do CO2, embora sua concentração na atmosfera seja muito pequena. Fontes: Campos de arroz, organismos anaeróbios, ruminantes, produção de petróleo. As vacas emitem uma grande quantidade de metano através do arroto, e uma menor quantidade através da flatulência. Especialistas dizem que, em média, uma vaca leiteira expele entre 100 e 500 litros de metano por dia. É uma quantidade alta, comparável à poluição produzida por um carro em um único dia. Intensificação do Efeito Estufa (Aquecimento Global) Com base no explicado acima deduz-se que o efeito estufa é necessário para a vida. O problema é que as emissões de CO2 estão aumentando enormemente devido à atividade humana, o que pode provocar um aumento da temperatura na superfície do planeta com efeitos desastrosos para a vida tal como a conhecemos. Os países mais poluentes são em geral os mais desenvolvidos: EE.UU., Rússia, China, (combustão de carvão), Japão, UE, Canadá e Austrália. O Brasil contribui ao aumento do CO2 atmosférico principalmente com as queimadas e o desmatamento. O desmatamento na Amazônia (foto) ocorre tanto por culpa do comércio ilegal de madeira, quanto pela necessidade de se abrir espaço à agricultura e à pecuária. Dados do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), baseados em levantamentos por satélite, indicam que a Amazônia já perdeu mais de 700 mil km² de floresta. De acordo com a Organização Meteorológica Mundial (World MeteorologicalOrganization – WMO), a concentração média global de CO2 na atmosferano ano de 2011 foi de 390,9±0,1 ppm, o que constitui cerca de 140% dos níveis Pré-Industriais. Evolução da concentração de CO2 na atmosfera desde 1958 até 2004. Evolução da temperatura na superfície do planeta desde 1850 até 2000. Os detratores da teoria do aquecimento global por causa da intensificação do efeito estufa afirmam que o aquecimento global não acontecerá devido à emissão para a atmosfera de material particulado (fruto da poluição) e a que a maior evaporação de água (pela elevação das temperaturas) levará a um aumento de nuvens. Tanto as partículas quanto as nuvens refletem a luz solar, com o que chegaria menos radiação à superfície do planeta acarretando um resfriamento global. Porém, parece que as nuvens baixas refletem mais do que absorvem radiação (esfriam o planeta) e as altas o contrário (aquecem o planeta), de maneira que o efeito das nuvens não está claro dado que não se sabe onde serão formadas. Também existe a possibilidade de que as atuais e evidentes mudanças climáticas sejam derivadas das correntes oceânicas “El Niño” e “La Niña”. A atividade solar (fenômeno cíclico) deve também ser considerada. Conseqüências Potenciais do Aquecimento Global - Aumento da temperatura. Previsão: em 2035 a temp. média do ar será 1°C mais alta que em 1990. Até 2100 aumentará 3°C no total. - Mudanças climáticas globais: Aumento global da quantidade de chuvas devido à maior evaporação da água. Porém, as áreas secas se tornarão mais secas e nas mais úmidas haverá inundações e distúrbios climáticos intensos. - Degelo das geleiras e gelos polares. - Aumento do nível do mar. Conseqüência da expansão térmica da água e da fusão das geleiras. Previsão: 50-88 cm em 2100. Pequenas ilhas e Atóis, zonas de Bangladesh, Paises Baixos, Flórida, etc. ficarão em baixo das águas. - Alteração das correntes oceânicas. Elas levam águas aquecidas desde os trópicos até o Atlântico Norte, aquecendo Europa e a costa Leste de América do Norte. - Branqueamento dos recifes de coral. - Deslocamento das estações. Ondas de calor extremo no verão, que afetará a pessoas com doenças respiratórias e cardíacas, bem como a idosos e crianças. - Alterações na produção agrícola fruto das mudanças climáticas. - Aumento e expansão da presença de insetos portadores de doenças (malária, dengue, febre amarela, etc.). - Risco de extinção de ursos polares e outros animais porque seu habitat desaparecerá. GLACIAR MUIR (ALASKA) 21 de septiembre de 1941(izquierda) - 14 de septiembre de 2004 (derecha) Level trends computed from altimetry, from January 1993 to 2005. Regional variations were sometimes more than ten times the average (West Pacific, Indian Ocean), whereas in other regions sea level actually decreased. (Credits Legos/CNRS, France) Like many atolls in the Pacific, Aitutaki in the Cook Islands rises only a few meters above sea level. Several island nations, such as Tuvalu in the Pacific Ocean and the Maldives in the Indian Ocean, are composed entirely of low-lying islands and atolls. Photo courtesy Laurie J. Schmidt, NASA Maldivas se hunde A população das ilhas Carteret (foto), em Papua Nova Guiné, foi obrigada a abandoná-las em 2005, devido ao aumento do nível do mar pelo aquecimento global, transformando-se num dos primeiros grupos contemporâneos de refugiados ambientais. Estima-se que, até 2015, as ilhas estarão completamente submersas How Europe's coastline would be reshaped if all continental ice melted (sea level would rise 80 metres) (Credits CNRS) BRANQUEAMENTO DOS CORAIS Coral Madracis decactis Uma associação extremamente importante para os recifes-de-coral é a simbiose que ocorre entre as espécies de corais e microalgas conhecidas como zooxantelas. Essas algas vivem no interior dos tecidos dos corais construtores dos recifes, realizando fotossíntese e liberando para os corais compostos orgânicos nutritivos. Por sua vez, as zooxantelas sobrevivem e crescem utilizando os produtos gerados pelo metabolismo do coral, como gás carbônico, compostos nitrogenados e fósforo. As necessidades nutricionais dos corais são em grande parte supridas pelas zooxantelas. Elas estão também envolvidas na secreção de cálcio e formação do esqueleto do coral. Apesar de espécies de corais serem encontradas praticamente em todos os oceanos e latitudes, as espécies construtoras de recifes (corais hermatípicos) estão restritas às regiões tropicais e subtropicais. Os recifes necessitam, geralmente, de águas quentes (25 - 30oC) e claras, longe da influência de água doce. A poluição (esgoto doméstico, vazamento de petróleo, etc.) e sedimentação (sedimentos terrígenos levados para o mar devido ao desmatamento e movimentações de terra) põem em risco muitos recifes de corais, incluindo os inúmeros outros organismos que deles dependem (inclusive comunidades humanas que vivem da pesca e coleta de animais marinhos recifais). Um fenômeno aparentemente recente - não ainda totalmente compreendido pelos pesquisadores - que tem ocorrido em todas as regiões recifais do globo de forma maciça é o branqueamento (do inglês ‘bleaching’). Trata-se basicamente da ‘perda’ dos organismos fotossimbiontes (zooxantelas) presentes nos tecidos do coral (zooxantelas ocorrem também em outros cnidários, como anêmonas-do- mar, zooantídeos, medusas , e em outros invertebrados, como ascídias, esponjas, moluscos, etc., que também podem branquear). Como a cor da maioria dos hospedeiros advém, em grande parte, da ‘alga’ simbionte, seus tecidos tornam-se pálidos ou brancos. Nos corais, os tecidos ficam praticamente transparentes, revelando o esqueleto branco subjacente. Geralmente, os tecidos de colônias branqueadas estão vivos e intactos. Entretanto, a ausência das ‘algas’ simbiontes implica em 1) ‘jejum’ compulsório ao hospedeiro, uma vez que as algas simbiontes suprem a maior parte das necessidades nutricionais do hospedeiro (até mais de 60% do carbono fixado na fotossíntese pode ser translocado da alga para o hospedeiro na forma de glicerol), e 2) diminuição das taxas de calcificação. Portanto, as partes moles e o esqueleto de um coral branqueado não crescem, e a colônia fica mais vulnerável a outros possíveis estresses, como poluição, sedimentação excessiva, colonização por macroalgas do esqueleto eventualmente exposto, etc. Apesar de tudo, as colônias branqueadas podem recuperar completamente, em poucos dias ou até mais de um ano, a coloração, dependendo da espécie e do grau de branqueamento. Do mesmo modo, dependendo da espécie, intensidade e duração do estresse, a morte de parte, ou de toda, colônia pode ocorrer logo em seguida ao inicio do branqueamento, ou mesmo algum tempo depois (semanas ou meses). Nestes casos, o esqueleto será rapidamente recoberto por algas e animais sésseis, perdendo a cor branca. Há uma diversidade relativamente grande de organismos endossimbiontes fotossintetisantes (Dinoflagellata, Chlorophyta, cianobactérias, Bacillariophyaceae, Crysophyta) encontrados em associação com invertebrados marinhos (esponjas, medusas, anêmonas, corais, hidrozoários, moluscos, turbelários, ascídias, etc.). As ‘algas’, cuja densidade em corais chega a 106/cm2, provêem carbono para o metabolismo, o crescimento e a reprodução, reciclando eficientemente, também, os excretas (nitrogênio, fósforo) do hospedeiro. Corais hermatípicos depositam carbonato de cálcio mais rapidamente que os ahermatípicos, porque as algas criam um ambiente químico propício à cristalização e precipitação. Palythoa caribaeorum (zooantídeo) branqueado (note a parte não branqueada, de cor marrom, à direita) Protocolo de Kioto Acordo internacional estabelecido em 1997. Entrada em vigor em fevereiro de 2005. Propõe reduziras emissões de gases estufa dos paises industrializados e garantir um modelo de desenvolvimento limpo aos paises em desenvolvimento. Entre 2008 e 2012 os paises desenvolvidos deveriam ter diminuído suas emissões em 5,2% em média em relação aos níveis de 1990. Os paises em desenvolvimento (Brasil entre eles) não têm que atingir metas específicas, embora devam informar sobre suas emissões. O Protocolo estabelece também o comércio de emissões e o ganho de créditos por atividades que diminuam a descarga de gases estufa (plantio de árvores, uso de energias limpas, etc). EE.UU. (o maior poluidor) retirou-se em 2001. As metas não puderam ser atingidas. Nos últimos anos, a China e a Índia também não pareciam dispostas a reduzir suas emissões de gases estufa. Porém, em 2015 foi firmado um acordo inicial entre USA e China para redução de suas emissões de gases de efeito estufa. Países desenvolvidos com maior consciência ambiental passam atualmente por uma grave crise econômica => menor disponibilidade financeira para estabelecimento de medidas visando a redução de emissões de gases estufa. Minimização das Emissões de CO2 - Uso de menos combustíveis fósseis e menos carvão e de mais gás natural (metano), que gera menos CO2 para fornecer uma mesma quantidade de energia. Além disso, petróleo e carvão contêm enxofre como impureza, o qual gera SO2 na combustão (chuva ácida). - Remoção de CO2 dos gases de exaustão das usinas termoelétricas (via absorção ou adsorção reversíveis), evitando que seja liberado na atmosfera, para finalmente ser seqüestrado nas profundezas dos oceanos, em rochas porosas, em poços de petróleo exauridos, etc. - Estocagem do CO2 na forma de gelo seco (t< -79°C) como esferas de 400 m de diâmetro cobertas com lã de vidro como isolante. - Uso de hidrogênio ou eletricidade como fonte de energia dos automóveis. - Uso de biocombustíveis, os quais lançam para a atmosfera CO2 que já esteve na atmosfera e que será reconvertido em matéria orgânica fazendo parte do ciclo do carbono. - Aumento do fitoplâncton nos oceanos mediante adição de ferro (deficitário no hemisfério Sul), para aumentar a fotossíntese. - Plantação de florestas. - Uso de tecnologias eficientes (lâmpadas de baixo consumo, automóveis com maior eficiência energética). - Uso de energias alternativas limpas e/ou renováveis (energia solar, eólica, biocombustíveis, hidrogênio, energia nuclear). http://www1.folha.uol.com.br/ambiente/2014/04/1436488-mudanca-climatica-fara- com-que-paises-inteiros-desaparecam.shtml QUESTÕES EFEITO ESTUFA 1. Deduza quais das seguintes moléculas absorvem luz infravermelha devido aos movimentos vibracionais internos: a) H2; b) CO; c) Cl2; d) O3; e) NaCl 2. Calcule a energia absorvida por mol de dióxido de carbono quando este absorve luz infravermelha de λ 15,0 µm: expresse essa energia como percentagem da energia necessária para dissociar o CO2 em CO e O. Dados: ∆Hf CO2: -393,5 Kj/mol; ∆Hf CO: -110,5 Kj/mol; ∆Hf O: +249,2 Kj/mol. 3. Dióxido de carbono é liberado na atmosfera quando rochas de calcário são aquecidas para produzir cal viva usada na fabricação de cimento segundo a reação: CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) Calcule, em toneladas métricas, a massa de CO2 liberada por tonelada métrica de calcário usado neste processo. Massas atômicas (g/mol): Ca: 40,0; C: 12,0; O:16,0 4. A carga de CO2 na atmosfera cresce aproximadamente 3,2 GT por ano. Calcule o aumento anual de sua concentração na escala de ppm. Massa atmosfera: 5,1.1021g. 5. Explique qual é o significado dos termos: vibração de estiramento (ou de tensão) de ligação simétrico (νs), vibração de estiramento (ou de tensão) de ligação antissimétrico (νa) e vibração de deformação angular (δ). 6. O vapor de água é um gás indutor do efeito estufa? Se isto é verdadeiro, explique por que ele não está habitualmente presente nas listas de tais substâncias. 7. Qual é o significado do termo “janela” quando aplicado para a emissão de radiação IR da superfície da Terra? Qual é a faixa de comprimentos de onda dessa janela? 8. Por que N2 e O2 não absorvem radiação IR? Por que não consideramos o CO como um gás traço que poderia contribuir para intensificar o efeito estufa? 9. Sabendo que o óxido nitroso (N2O) tem três vibrações que absorvem radiação IR, justifique se sua estrutura é NNO ou NON. 10. Com base nos seguintes valores de entalpias de formação, determine que combustível, metano, carvão ou gasolina [(CH2)n], é menos poluente e mais eficiente para obtenção de energia. CH4 CO2 H2O C (grafite) CH2 ∆Hf (Kj/mol) -74,9 -393,5 -285,8 0,0 -20,6
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