Efeito Estufa [Modo de Compatibilidade]

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Problemas Ambientais Globais Problemas Ambientais Globais 
-- Bases Científicas do Efeito Bases Científicas do Efeito 
EstufaEstufaEstufaEstufa
Prof. Marco Prof. Marco AurelioAurelio dos Santosdos Santos
PPE/COPPE/UFRJPPE/COPPE/UFRJ
Curso de Engenharia AmbientalCurso de Engenharia Ambiental
POLI/UFRJPOLI/UFRJ
Efeito Estufa = Fenômeno Efeito Estufa = Fenômeno 
NaturalNatural
OO aquecimentoaquecimento dada atmosferaatmosfera terrestreterrestre éé umum
fenômenofenômeno naturalnatural ,, resultanteresultante dada interaçãointeração dosdos
processosprocessos naturaisnaturais (BALANÇO(BALANÇO DEDE ENERGIA)ENERGIA)
dede entradaentrada dede radiaçãoradiação eletromagnéticaeletromagnética entreentre::dede entradaentrada dede radiaçãoradiação eletromagnéticaeletromagnética entreentre::
ee energiaenergia eletromagnéticaeletromagnética dodo SolSol (Calor,(Calor, Luz,Luz, etcetc))
aa emissãoemissão dede radiaçãoradiação térmicatérmica dodo planetaplaneta TerraTerra
(corpo(corpo receptor,receptor, dissipadordissipador ee refletorrefletor dada energiaenergia
recebidarecebida dada fontefonte geradora)geradora)..
SolSol (fonte geradora de radiação (fonte geradora de radiação 
infravermelha e luz visível, infravermelha e luz visível, 
radiação ultravioleta)radiação ultravioleta)
�� AsAs medidasmedidas mostrammostram queque cadacada metrometro quadradoquadrado nana TerraTerra
receberecebe dodo SolSol umauma potênciapotência (energia/segundo)(energia/segundo) dede 11..400400
watts/mwatts/m22 ,, ouou seja,seja, aa potênciapotência dede 1414 lâmpadaslâmpadas dede 100100 wattswatts..
�� OO valorvalor maismais precisopreciso dada constanteconstante solarsolar éé 11..367367,,55 W/mW/m22,e,e
variavaria 00,,33%% durantedurante oo ciclociclo solarsolar dede 1111 anosanos..
�� MultiplicandoMultiplicando--sese essaessa potênciapotência recebidarecebida nana TerraTerra pelapela áreaárea dada
esferaesfera compreendidacompreendida pelapela órbitaórbita dada TerraTerra emem tornotorno dodo Sol,Sol,
determinadetermina--sese aa luminosidadeluminosidade dodo SolSol emem 33,,99××10102626 wattswatts ==
33,,99××10103333 ergs/sergs/s..
�� EssaEssa quantidadequantidade dede energiaenergia éé equivalenteequivalente àà queimaqueima dede 22××10102020
galõesgalões dede gasolinagasolina porpor minuto,minuto, ouou maismais dede 1010 milhõesmilhões dedegalõesgalões dede gasolinagasolina porpor minuto,minuto, ouou maismais dede 1010 milhõesmilhões dede
vezesvezes aa produçãoprodução anualanual dede petróleopetróleo dada TerraTerra..
�� AA energiaenergia dodo SolSol provémprovém dede reaçõesreações termotermo--nucleares,nucleares, nana qualqual
quatroquatro prótonsprótons sãosão fundidosfundidos emem umum núcleonúcleo dede hélio,hélio, comcom
liberaçãoliberação dede energiaenergia..
�� OO SolSol temtem hidrogêniohidrogênio suficientesuficiente parapara alimentaralimentar essasessas reaçõesreações
porpor bilhõesbilhões dede anosanos.. Gradualmente,Gradualmente, àà medidamedida queque diminuidiminui aa
quantidadequantidade dede hidrogênio,hidrogênio, aumentaaumenta aa quantidadequantidade dede héliohélio nono
núcleonúcleo..
�� OO SolSol transformatransforma aproximadamenteaproximadamente 600600 milhõesmilhões dede toneladastoneladas
dede hidrogêniohidrogênio emem héliohélio porpor segundosegundo..
�� AA radiaçãoradiação solar,solar, grandegrande parteparte dada qualqual aquelaaquela dentrodentro dada regiãoregião
visívelvisível dodo espectroespectro eletromagnético,eletromagnético, aqueceaquece oo nossonosso planetaplaneta
naturalmentenaturalmente..
�� EmEm termostermos médiosmédios globais,globais, aa TTerraerra irradiairradia aproximadamenteaproximadamente aa
mesmamesma quantidadequantidade dede energiaenergia queque provémprovém dodo Sol,Sol, poispois háhá umaumamesmamesma quantidadequantidade dede energiaenergia queque provémprovém dodo Sol,Sol, poispois háhá umauma
parcelaparcela dede energiaenergia nana TerraTerra cujacuja origemorigem nãonão éé solar,solar, taistais comocomo asas
dada fissãofissão nuclear,nuclear, aa geotérmicageotérmica ee aa associadaassociada àà rotaçãorotação dada TerraTerra..
�� Porém,Porém, porpor serser umum corpocorpo muitomuito maismais friofrio dodo queque oo Sol,Sol, aa TerraTerra tendetende
aa irradiarirradiar nono comprimentocomprimento dede ondaonda nono infravermelho,infravermelho, vistovisto queque
quantoquanto maismais baixabaixa aa temperaturatemperatura dede umum corpo,corpo, maiormaior seráserá aa
tendênciatendência aa emitiremitir calorcalor nana faixafaixa dede longolongo comprimentocomprimento dede ondaonda..
Tipo de Energia x Comprimento Tipo de Energia x Comprimento 
de Ondade Onda
�� O comprimento de onda das radiações O comprimento de onda das radiações 
depende da temperatura do corpo que depende da temperatura do corpo que 
emite energia. emite energia. 
�� O Sol apresenta um brilho branco O Sol apresenta um brilho branco 
incandescente e a sua energia localizada incandescente e a sua energia localizada 
na parte visível do espectro, é na parte visível do espectro, é 
denominada radiação de ondas curtas. denominada radiação de ondas curtas. denominada radiação de ondas curtas. denominada radiação de ondas curtas. 
�� A Terra e a atmosfera se aquecem A Terra e a atmosfera se aquecem 
absorvendo radiações de ondas curtas, absorvendo radiações de ondas curtas, 
porém a energia que recebem não é porém a energia que recebem não é 
suficiente para ficarem muito quentes. suficiente para ficarem muito quentes. 
�� Em conseqüência disso, irradiam energia Em conseqüência disso, irradiam energia 
em temperaturas muito inferior à do Sol em temperaturas muito inferior à do Sol 
e essa radiação é emitida em ondas e essa radiação é emitida em ondas 
longas, na faixa infravermelha do longas, na faixa infravermelha do 
espectro. espectro. 
�� A radiação da Terra e sua atmosfera é A radiação da Terra e sua atmosfera é 
sentida muito mais como calor do que sentida muito mais como calor do que 
vista como luz. vista como luz. 
�� Comprimento de onda (Comprimento de onda (λλ) que pode ser ) que pode ser 
definido como a distância mínima em que definido como a distância mínima em que 
um padrão temporal da onda (ou seja, um padrão temporal da onda (ou seja, 
um ciclo) se repete.um ciclo) se repete.
Sistema SolarSistema Solar
Sol
Vênus – (atmosfera densa) 95% CO2 , temp.400 o.C 
Mercúrio – (atmosfera rarefeita)temperatura de dia 427º.C e a noite -187
Terra – temp. 15º. C
Marte – temp -23º.C , densidade baixa, principalmente CO2
Jupiter – temp. -150º.C – Atmosfera densa He, H2 e CH4
Saturno – temp -180º. C (planeta gasoso) 
Urano – temp -210º. C , H2 , He , CH4
Netuno
Plutão – temp -230º.C ( não há comprovação de atmosfera)
Planeta anão
ATMOSFERA DA TERRAATMOSFERA DA TERRA
Composição da AtmosferaComposição da Atmosfera
Tabela 2 – Gases Componentes e Concentrações na Atmosfera 
GÁS CONCENTRAÇÃO % 
Nitrogênio (N2) 78,03% 
Oxigênio (O2) 20,99% 
Argônio (Ar) 0,94 % Argônio (Ar) 0,94 % 
Dióxido de carbono (CO2) * 360 ppm 
Neônio (Ne) 18 ppm 
Hélio (He) 5 ppm 
Metano (CH4) 1,5 ppm 
Hidrogênio (H2) 0,5 ppm 
Óxido de dinitrogênio (N2O) * 0,3 ppm 
Dióxido de nitrogênio (NO2) * 0,3 ppm 
Monóxido de nitrogênio (NO) * 0,1 ppm 
Monóxido de carbono (CO) * 0,1 ppm 
* concentração variável 
 
Temperatura da Superfície dos Temperatura da Superfície dos 
Planetas e Velocidade de Escape Planetas e Velocidade de Escape 
dos Gases da Atmosferados Gases da Atmosfera
Espectro EletromagnéticoEspectro Eletromagnético
MECÂNICA QUÂNTICAMECÂNICA QUÂNTICA
MoléculaMolécula possuipossui certacerta quantidadequantidade dede energiaenergia alémalém
daqueladaquela associadaassociada comcom seuseu movimentomovimento nono espaçoespaço..
MaiorMaior parteparte destadesta energiaenergia provémprovém::
EnergiaEnergia cinéticacinética�� EnergiaEnergia cinéticacinética
�� EnergiaEnergia potencialpotencial eletrostáticaeletrostática dosdos elétronselétrons
MenorMenor parteparte dadaenergiaenergia::
�� VibraçõesVibrações dosdos átomosátomos emem tornotorno dede suasua posiçãoposição médiamédia
nana moléculamolécula ((variaçõesvariações nono arranjoarranjo geométricogeométrico))
�� RotaçãoRotação dada moléculamolécula emem tornotorno dodo seuseu centrocentro dede massamassa
�� MoléculaMolécula == átomosátomos sofremsofrem transiçõestransições dede níveisníveis eletrônicoseletrônicos
�� GanhoGanho dede EnergiaEnergia ⇒⇒ eletronseletrons ““pulampulam”” níveisníveis maismais altoalto
�� LiberaçãoLiberação dede energiaenergia ⇒⇒ eletronseletrons retornamretornam niveisniveis maismais baixosbaixos
�� EnergiaEnergia transmitidatransmitida pelapela radiaçãoradiação eletromagnéticaeletromagnética == fótonsfótons
�� QtdeQtde dede energiaenergia associadaassociada comcom umum fótonfóton dede radiaçãoradiação�� QtdeQtde dede energiaenergia associadaassociada comcom umum fótonfóton dede radiaçãoradiação
ωω==hvhv
�� OndeOnde::
�� v=v=frequenciafrequencia dede radiaçãoradiação ss--11 ouou HertzHertz
�� hh == constanteconstante dede PlanckPlanck 66,,626626 xx 1010--3434 JJ ss--11
�� MoléculaMolécula == absorveabsorve ouou emiteemite energiaenergia emem quantidadesquantidades discretasdiscretas
((pacotespacotes)) apenasapenas comcom certoscertos comprimentoscomprimentos dede ondaonda
�� MudançasMudanças de de OrbitaisOrbitais ⇒⇒ raiosraios x, x, ultravioletaultravioleta, , 
radiaçãoradiação visívelvisível
�� MudançasMudanças VibracionaisVibracionais ⇒⇒ infrainfra--vermelhovermelho
�� TransiçõesTransições rotacionaisrotacionais ⇒⇒ micro micro ondasondas�� TransiçõesTransições rotacionaisrotacionais ⇒⇒ micro micro ondasondas
�� COCO22, H, H22O, OO, O33 ⇒⇒ absorvemabsorvem ouou emitememitem fótonsfótons de de 
energiaenergia radianteradiante ⇒⇒ transiçãotransição simultâneasimultânea
rotaçãorotação--vibraçãovibração
�� OO22 e Ne N22 ⇒⇒ nãonão tem tem grandegrande interaçãointeração com a com a 
radiaçàoradiaçào infrainfra--vermelhavermelha
��Irradiância média da radiação solar que atinge a órbita da Terra, Irradiância média da radiação solar que atinge a órbita da Terra, 
num plano perpendicular aos raios solares, no topo da atmosfera num plano perpendicular aos raios solares, no topo da atmosfera 
éé 1,38 x 101,38 x 1033 W/mW/m22 que constitui a chamada que constitui a chamada constante solarconstante solar
��TemperaturaTemperatura médiamédia nana superfíciesuperfície do Sol 6.000 do Sol 6.000 oo K ~5.726 K ~5.726 oo CC
��Temp. média da superfície daTerra 288 Temp. média da superfície daTerra 288 oo K ~15º CK ~15º C
A maior parte da A maior parte da energia radiante do Solenergia radiante do Sol está está 
concentrada nas partes visível e próximo do visível do concentrada nas partes visível e próximo do visível do 
espectro. espectro. 
A luz visível ~43% do total emitido,A luz visível ~43% do total emitido,
49% estão no infravermelho próximo49% estão no infravermelho próximo
7% no ultravioleta7% no ultravioleta. . 
Menos de 1% da radiação solar é emitida como raios X, Menos de 1% da radiação solar é emitida como raios X, 
raios gama e ondas de rádio.raios gama e ondas de rádio.
Corpo NegroCorpo Negro
�� UmUm corpocorpo negronegro éé umum corpocorpo queque absorveabsorve todatoda aa
radiaçãoradiação queque nelenele incideincide:: nenhumanenhuma luzluz oo atravessaatravessa nemnem
éé refletidarefletida..
�� ApesarApesar dodo nome,nome, corposcorpos negrosnegros produzemproduzem radiaçãoradiação
eletromagnéticaeletromagnética,, taltal comocomo luzluz..
�� Um corpo negro pode ser definido como:Um corpo negro pode ser definido como:
�� a) Corpo que absorve toda a radiação que nele incide; a) Corpo que absorve toda a radiação que nele incide; 
�� b) Corpo que, para uma dada temperatura, emite a quantidade b) Corpo que, para uma dada temperatura, emite a quantidade 
máxima possível de máxima possível de radiação térmicaradiação térmica. . 
�� c) Sua radiação é isotrópica, ou seja, não depende da direção c) Sua radiação é isotrópica, ou seja, não depende da direção 
�� Planeta Terra é um corpo negro.Planeta Terra é um corpo negro.
Irradiância do Corpo NegroIrradiância do Corpo Negro
�� A A irradiânciairradiância do corpo negro sobre os do corpo negro sobre os 
comprimentos de onda, é dada por: comprimentos de onda, é dada por: 
E=E=σσTT44
�� ondeonde σσ éé aa constanteconstante dede StefanStefan--Boltzmann,Boltzmann, cujocujo valorvalor�� ondeonde σσ éé aa constanteconstante dede StefanStefan--Boltzmann,Boltzmann, cujocujo valorvalor
éé 55,,6767 xx 1010--88 W/mW/m22KK44 .. EstaEsta equaçãoequação éé aa leilei dede StefanStefan--
BoltzmannBoltzmann..
�� DelaDela sese concluiconclui queque corposcorpos comcom maiormaior temperaturatemperatura
emitememitem maismais energiaenergia totaltotal porpor unidadeunidade dede áreaárea queque
aquelesaqueles comcom menormenor temperaturatemperatura..
�� OO Sol,Sol, portanto,portanto, comcom T~T~60006000 K,K, emiteemite centenascentenas dede
milharesmilhares dede vezesvezes maismais energiaenergia queque aa Terra,Terra, comcom T~T~288288
KK..
Intensidade da Radiação Solar e Intensidade da Radiação Solar e 
Radiação TerrestreRadiação Terrestre
�� Sol emite 160 Sol emite 160 
mil vezes mais mil vezes mais 
energia que a energia que a 
TerraTerraTerraTerra
�� Temperatura Temperatura 
+ alta + alta 
radiação mais radiação mais 
energéticaenergética
Comportamento da irradiância na Comportamento da irradiância na 
atmosfera terrestreatmosfera terrestre
Na atmosfera aNa atmosfera a irradiância monocromática irradiância monocromática 
incidente pode ser incidente pode ser espalhadaespalhada, , refletida, refletida, incidente pode ser incidente pode ser espalhadaespalhada, , refletida, refletida, 
absorvida ou transmitidaabsorvida ou transmitida
Distribuição da Radiação Solar Distribuição da Radiação Solar 
IncidenteIncidente
Nem toda energia que atinge o topo da atmosfera terrestre chega a sua superfície
ABSORÇÃO NA ATMOSFERAABSORÇÃO NA ATMOSFERA
�� OO espalhamentoespalhamento ee aa reflexãoreflexão simplesmentesimplesmente mudammudam aa
direçãodireção dada radiaçãoradiação..
�� AtravésAtravés dada absorçãoabsorção,, aa radiaçãoradiação éé convertidaconvertida emem calorcalor..
QuandoQuando umauma moléculamolécula dede gásgás absorveabsorve radiaçãoradiação estaesta
energiaenergia éé transformadatransformada emem movimentomovimento molecularmolecular
interno,interno, detectáveldetectável comocomo aumentoaumento dede temperaturatemperatura..interno,interno, detectáveldetectável comocomo aumentoaumento dede temperaturatemperatura..
�� Portanto,Portanto, sãosão osos gasesgases (moléculas)(moléculas) queque sãosão bonsbons
absorvedoresabsorvedores dada radiaçãoradiação disponíveldisponível queque temtem papelpapel
preponderantepreponderante nono aquecimentoaquecimento dada atmosferaatmosfera..
�� OO Nitrogênio,Nitrogênio, oo maismais abundanteabundante constituinteconstituinte dada
atmosferaatmosfera éé umum fracofraco absorvedorabsorvedor dada radiaçãoradiação solarsolar
incidente,incidente, queque sese concentraconcentra principalmenteprincipalmente nosnos
comprimentoscomprimentos dede ondaonda entreentre 00,,22 ee 22 ..
�� ComoComo aa TerraTerra temtem umauma temperaturatemperatura superficialsuperficial bembem
menormenor queque aa dodo Sol,Sol, aa radiaçãoradiação terrestreterrestre temtem
comprimentoscomprimentos dede ondaonda maioresmaiores queque aa radiaçãoradiação solar,solar,
situadossituados nono intervalointervalo infravermelho,infravermelho, entreentre 11 µµmm ee 3030 µµmm..
�� ComoComo aa atmosferaatmosfera éé bastantebastante transparentetransparente àà radiaçãoradiação
solarsolar (ondas(ondas curtas)curtas) ee maismais absorventeabsorvente parapara radiaçãoradiação
terrestreterrestre (ondas(ondas longas),longas), aa TerraTerra éé aa maiormaior fontefonte dede calorcalor
parapara aa atmosferaatmosfera..
�� AA atmosfera,atmosfera, portanto,portanto, éé aquecidaaquecida aa partirpartir dada superfície,superfície,oo queque éé evidenteevidente nono perfilperfil verticalvertical médiomédio dede temperaturatemperatura
nana troposfera,troposfera, queque mostramostra umum decréscimodecréscimo (~(~66,,55°° C/km)C/km)
dede temperaturatemperatura comcom aa altitudealtitude
Absortividade Absortividade 
de algumas de algumas 
moléculas na moléculas na 
atmosferaatmosferaatmosferaatmosfera
�� UmaUma moléculamolécula podepode absorverabsorver radiaçãoradiação cujacuja energiaenergia sejaseja
suficientesuficiente parapara "quebrá"quebrá--la"la" emem seusseus componentescomponentes
atômicosatômicos.. ÁtomosÁtomos instáveisinstáveis podempodem tambémtambém combinarcombinar--sese
parapara formarformar moléculasmoléculas maismais estáveis,estáveis, liberandoliberando seuseu
excessoexcesso dede energiaenergia sobsob formaforma dede radiaçãoradiação.. NestasNestasexcessoexcesso dede energiaenergia sobsob formaforma dede radiaçãoradiação.. NestasNestas
reaçõesreações fotoquímicasfotoquímicas aa absorçãoabsorção ouou emissãoemissão dede
radiaçãoradiação eletromagnéticaeletromagnética temtem papelpapel crucialcrucial emem fornecerfornecer
ouou removerremover energiaenergia
�� TodosTodos osos átomosátomos podempodem serser ionizadosionizados porpor radiaçãoradiação comcom
comprimentocomprimento dede ondaonda suficientementesuficientemente curtacurta.. EsteEste
processo,processo, chamadochamado fotoionizaçãofotoionização,, requerrequer fótonsfótons comcom
suficientesuficiente energiaenergia parapara arrancararrancar umum ouou maismais dosdos
elétronselétrons maismais externosexternos dede suassuas órbitasórbitas
Sumário Sumário –– 4º. Relatorio de 4º. Relatorio de 
Avaliação do IPCC Avaliação do IPCC –– Grupo de Grupo de 
Trabalho 1Trabalho 1
Brasil Brasil -- CO2 CO2 –– 978 milhões de t978 milhões de t
Brasil Brasil –– CO2 CO2 –– 1.078 milhões de t1.078 milhões de t
Brasil Brasil –– CH4 CH4 –– 12,3 milhões de t12,3 milhões de t
Brasil Brasil –– CH4 CH4 –– 13,2 milhões de t13,2 milhões de t