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* Problemas Ambientais Globais - Bases Científicas do Efeito Estufa Prof. Marco Aurelio dos Santos PPE/COPPE/UFRJ Curso de Engenharia Ambiental POLI/UFRJ * Efeito Estufa = Fenômeno Natural O aquecimento da atmosfera terrestre é um fenômeno natural , resultante da interação dos processos naturais (BALANÇO DE ENERGIA) de entrada de radiação eletromagnética entre: e energia eletromagnética do Sol (Calor, Luz, etc) a emissão de radiação térmica do planeta Terra (corpo receptor, dissipador e refletor da energia recebida da fonte geradora). * Sol (fonte geradora de radiação infravermelha e luz visível, radiação ultravioleta) * As medidas mostram que cada metro quadrado na Terra recebe do Sol uma potência (energia/segundo) de 1.400 watts/m2 , ou seja, a potência de 14 lâmpadas de 100 watts. O valor mais preciso da constante solar é 1.367,5 W/m2,e varia 0,3% durante o ciclo solar de 11 anos. Multiplicando-se essa potência recebida na Terra pela área da esfera compreendida pela órbita da Terra em torno do Sol, determina-se a luminosidade do Sol em 3,9×1026 watts = 3,9×1033 ergs/s. Essa quantidade de energia é equivalente à queima de 2×1020 galões de gasolina por minuto, ou mais de 10 milhões de vezes a produção anual de petróleo da Terra. A energia do Sol provém de reações termo-nucleares, na qual quatro prótons são fundidos em um núcleo de hélio, com liberação de energia. O Sol tem hidrogênio suficiente para alimentar essas reações por bilhões de anos. Gradualmente, à medida que diminui a quantidade de hidrogênio, aumenta a quantidade de hélio no núcleo. O Sol transforma aproximadamente 600 milhões de toneladas de hidrogênio em hélio por segundo. * A radiação solar, grande parte da qual aquela dentro da região visível do espectro eletromagnético, aquece o nosso planeta naturalmente. Em termos médios globais, a Terra irradia aproximadamente a mesma quantidade de energia que provém do Sol, pois há uma parcela de energia na Terra cuja origem não é solar, tais como as da fissão nuclear, a geotérmica e a associada à rotação da Terra. Porém, por ser um corpo muito mais frio do que o Sol, a Terra tende a irradiar no comprimento de onda no infravermelho, visto que quanto mais baixa a temperatura de um corpo, maior será a tendência a emitir calor na faixa de longo comprimento de onda. * Tipo de Energia x Comprimento de Onda O comprimento de onda das radiações depende da temperatura do corpo que emite energia. O Sol apresenta um brilho branco incandescente e a sua energia localizada na parte visível do espectro, é denominada radiação de ondas curtas. A Terra e a atmosfera se aquecem absorvendo radiações de ondas curtas, porém a energia que recebem não é suficiente para ficarem muito quentes. Em conseqüência disso, irradiam energia em temperaturas muito inferior à do Sol e essa radiação é emitida em ondas longas, na faixa infravermelha do espectro. A radiação da Terra e sua atmosfera é sentida muito mais como calor do que vista como luz. Comprimento de onda () que pode ser definido como a distância mínima em que um padrão temporal da onda (ou seja, um ciclo) se repete. * Sistema 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 TERRA * Composição da Atmosfera * Temperatura da Superfície dos Planetas e Velocidade de Escape dos Gases da Atmosfera * Espectro Eletromagnético * MECÂNICA QUÂNTICA Molécula possui certa quantidade de energia além daquela associada com seu movimento no espaço. Maior parte desta energia provém: Energia cinética Energia potencial eletrostática dos elétrons Menor parte da energia: Vibrações dos átomos em torno de sua posição média na molécula (variações no arranjo geométrico) Rotação da molécula em torno do seu centro de massa * Molécula = átomos sofrem transições de níveis eletrônicos Ganho de Energia eletrons “pulam” níveis mais alto Liberação de energia eletrons retornam niveis mais baixos Energia transmitida pela radiação eletromagnética = fótons Qtde de energia associada com um fóton de radiação =hv Onde: v=frequencia de radiação s-1 ou Hertz h = constante de Planck 6,626 x 10-34 J s-1 Molécula = absorve ou emite energia em quantidades discretas (pacotes) apenas com certos comprimentos de onda * Mudanças de Orbitais raios x, ultravioleta, radiação visível Mudanças Vibracionais infra-vermelho Transições rotacionais micro ondas CO2, H2O, O3 absorvem ou emitem fótons de energia radiante transição simultânea rotação-vibração O2 e N2 não tem grande interação com a radiaçào infra-vermelha * Temperatura média na superfície do Sol 6.000 o K ~5.726 o C Temp. média da superfície daTerra 288 o K ~15º C A maior parte da energia radiante do Sol está concentrada nas partes visível e próximo do visível do espectro. A luz visível ~43% do total emitido, 49% estão no infravermelho próximo 7% no ultravioleta. Menos de 1% da radiação solar é emitida como raios X, raios gama e ondas de rádio. Irradiância média da radiação solar que atinge a órbita da Terra, num plano perpendicular aos raios solares, no topo da atmosfera é 1,38 x 103 W/m2 que constitui a chamada constante solar * Corpo Negro Um corpo negro é um corpo que absorve toda a radiação que nele incide: nenhuma luz o atravessa nem é refletida. Apesar do nome, corpos negros produzem radiação eletromagnética, tal como luz. Um corpo negro pode ser definido como: a) Corpo que absorve toda a radiação que nele incide; b) Corpo que, para uma dada temperatura, emite a quantidade máxima possível de radiação térmica. c) Sua radiação é isotrópica, ou seja, não depende da direção Planeta Terra é um corpo negro. * Irradiância do Corpo Negro A irradiância do corpo negro sobre os comprimentos de onda, é dada por: E=T4 onde é a constante de Stefan-Boltzmann, cujo valor é 5,67 x 10-8 W/m2K4 . Esta equação é a lei de Stefan-Boltzmann. Dela se conclui que corpos com maior temperatura emitem mais energia total por unidade de área que aqueles com menor temperatura. O Sol, portanto, com T~6000 K, emite centenas de milhares de vezes mais energia que a Terra, com T~288 K. * Intensidade da Radiação Solar e Radiação Terrestre Sol emite 160 mil vezes mais energia que a Terra Temperatura + alta radiação mais energética * Comportamento da irradiância na atmosfera terrestre Na atmosfera a irradiância monocromática incidente pode ser espalhada, refletida, absorvida ou transmitida * Distribuição da Radiação Solar Incidente Nem toda energia que atinge o topo da atmosfera terrestre chega a sua superfície * ABSORÇÃO NA ATMOSFERA O espalhamento e a reflexão simplesmente mudam a direção da radiação. Através da absorção, a radiação é convertida em calor. Quando uma molécula de gás absorve radiação esta energia é transformada em movimento molecular interno, detectável como aumento de temperatura. Portanto, são os gases (moléculas) que são bons absorvedores da radiação disponível que tem papel preponderante no aquecimento da atmosfera. O Nitrogênio, o mais abundante constituinte da atmosfera é um fraco absorvedor da radiação solar incidente, que se concentra principalmente nos comprimentos de onda entre 0,2 e 2 . * Como a Terra tem uma temperatura superficial bem menor que a do Sol, a radiação terrestre tem comprimentos de onda maiores que a radiação solar, situados no intervalo infravermelho, entre 1 m e 30 m. Como a atmosfera é bastante transparente à radiação solar (ondas curtas) e mais absorvente para radiação terrestre (ondas longas), a Terra é a maior fonte de calor para a atmosfera. A atmosfera, portanto, é aquecida a partir da superfície, o que é evidente no perfil vertical médio de temperatura na troposfera, que mostra um decréscimo (~6,5° C/km) de temperatura com a altitude * Absortividade de algumas moléculas na atmosfera * Uma molécula pode absorver radiação cuja energia seja suficiente para "quebrá-la" em seus componentes atômicos. Átomos instáveis podem também combinar-se para formar moléculas mais estáveis, liberando seu excesso de energia sob forma de radiação. Nestas reações fotoquímicas a absorção ou emissão de radiação eletromagnética tem papel crucial em fornecer ou remover energia Todos os átomos podem ser ionizados por radiação com comprimento de onda suficientemente curta. Este processo, chamado fotoionização, requer fótons com suficiente energia para arrancar um ou mais dos elétrons mais externos de suas órbitas * Sumário – 4º. Relatorio de Avaliação do IPCC – Grupo de Trabalho 1 * * Brasil - CO2 – 978 milhões de t * Brasil – CO2 – 1.078 milhões de t * Brasil – CH4 – 12,3 milhões de t * Brasil – CH4 – 13,2 milhões de t
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