Parte 4 Composio qumica da atmosfera Gases permanentes

Parte 4 § Composição química da atmosfera §Gases permanentes §Gases variáveis §Espectro de radiação §Absorção e emissão de radiação §Foto-Ionização §Foto-Dissociação §Ozônio Parte 4 1

Composição química da atmosfera Para que a concentração dos gases permanentes permaneça constante é necessário que haja um equilíbrio entre sua produção e destruição. Parte 4 2

Balanço dos gases permanentes Remoção = Produção Parte 4 3

Nitrogênio (N 2) Remoção: O nitrogênio atmosférico é removido no solo pelas bactérias que o disponibilizam para assimilação pelas plantas. Produção: O nitrogênio atmosférico é produzido através do decaimento de material orgânico animal e vegetal. Parte 4 4

Oxigênio (O 2) Remoção: A remoção do oxigênio atmosférico é feita através da respiração. Neste processo biológico ocorre a produção de gás carbônico (CO 2). A remoção desse gás também ocorre no processo de decaimento do material orgânico e nos processos de combinação dele com outras substâncias existentes na superfície produzindo óxidos. Produção: O oxigênio atmosférico é produzido pela fotossíntese das plantas e algas. Este processo ocorre com a remoção de gás carbônico (CO 2) e com absorção de radiação solar. O oxigênio também é produzido pela foto-dissociação das moléculas de água. Parte 4 5

Os demais gases permanentes O Argônio (Ar), Neônio (Ne), Hélio (He), Hidrogênio (H 2) e Xenônio (Xe) representam menos do que 1% em volume e, não são tão importantes para a Terra como o nitrogênio e o oxigênio. Parte 4 6

Balanço dos gases não permanentes Os gases não permanentes mais relevantes são: vapor d`água (H 2 O), dióxido de carbono (CO 2), metano (CH 4), óxido nitroso (N 2 O), ozônio (O 3) e os cloro-flúor-carbonetos (CFCs). Parte 4 7

Concentração dos gases não permanentes Fonte: IPCC, 2001 Parte 4 8

Vapor de água (H 2 O) A concentração do vapor extremamente variável. d`água na atmosfera é A maior parte do vapor d`água está próxima à superfície. Fontes de vapor d`água (oceanos, mares, lagos, rios, etc) encontram-se na superfície. A capacidade de reter vapor d`água na atmosfera aumenta com a temperatura do ar que, por sua vez, apresenta um máximo (Tmáx) na superfície da Terra. Os maiores valores de concentração do vapor d`água próximo à superfície são encontrados nas regiões tropicais, enquanto que as menores são encontradas nas regiões polares. Parte 4 9

Vapor de água invisível A molécula do vapor d`água é invisível o que significa que não interagem com a radiação solar visível. Ela torna-se visível somente quando transforma-se em gotícula de água e ou em cristal de gelo em suspensão na atmosfera; nestes dois estados, elas formam nuvens (de água líquida ou gelo) e interagem com a radiação solar tornando-se brancas. Parte 4 10

Transporte de Calor Latente O processo de evaporação (superfície) e condensação (nuvens) representa um transporte de energia (calor latente) da superfície para a atmosfera. Parte 4 11

Vapor de água e a radiação O vapor d`água presente na atmosfera interage pouco com a radiação solar, tal que grande parte da energia proveniente do Sol atinge a superfície da Terra, aquecendo-a. Esta é uma das razões para a temperatura do ar apresentar um máximo na superfície da Terra. Por outro lado, o vapor d`água presente na atmosfera interage bastante com a radiação terrestre, tal que grande parte da energia proveniente da superfície da Terra na forma de radiação (onda eletromagnética) é absorvida. Parte 4 12

Dióxido de carbono (CO 2) Produção: O CO 2 é produzido principalmente através da decomposição da vegetação na superfície. As erupções vulcânicas, respiração animal, queima de combustíveis fósseis e devastação também contribuem para a produção do dióxido de carbono atmosférico. Remoção: O CO 2 é removido da atmosfera através das plantas terrestres e aquáticas (fitoplânctons) que o consomem durante o processo de fotossíntese. Parte 4 13

Atmosfera versus oceano Os oceanos também exercem um controle bastante grande nos níveis atmosféricos de CO 2. No intervalo de temperaturas observados na superfície o CO 2 se dissolve diretamente na água. Estima-se que os oceanos contém 50 vezes mais CO 2 que a atmosfera. Parte 4 14

Entre o máximo e o mínimo de CO 2 Máximo Inverno HN Mínimo Verão HN Parte 4 Fonte: Meteorology Today 15

Evolução Temporal do Dióxido de Carbono ppm = partes por milhão Parte 4 Fonte: IPCC, 2001 16

Situação do CO 2 Valor do CO 2 está em quase 400 ppm Fonte: IPCC, 2001 Parte 4 17

Taxa de aumento do CO 2 O aumento total na concentração de CO 2 chega a 25% se contabilizado desde 1800, no início da revolução industrial. Observações recentes indicam que o CO 2 está aumentando a uma taxa de 0, 4% ao ano. Parte 4 18

Gás Metano CH 4 Produção: O CH 4 é produzido na decomposição de material orgânico, atividade agrícola - principalmente nos arrozais - e na pecuária no processo bioquímico do estômago do gado. Remoção: Absorvido pela água dos oceanos e das nuvens e em outras reações químicas na atmosfera. Parte 4 19

Evolução temporal do Metano ppm = partes por milhão Parte 4 Fonte: Meteorology Today 20

Taxa de aumento do CH 4 ppb = partes por bilhão Parte 4 Fonte: IPCC, 2001 21

Situação do CH 4 ppb = partes por bilhão Metano é 60 mais absorvente que o CO 2 Parte 4 Fonte: IPCC, 2001 22

Taxa de crescimento do CH 4 O crescimento da atividade agrícola e da pecuária vem causando um aumento na concentração do CH 4 de cerca de 0, 5% ao ano. Parte 4 23

Ciclo de Milankovitch 24. 5 o a 21. 5 o 7% a 30% de Energia Parte 4 24

Parte 4 25

Parte 4 26

Terra a cerca de 20000 atrás Parte 4 27

Parte 4 Eras glaciais 28

Enxofre (sulfato e SO 2) Parte 4 29

Óxido Nitroso N 20 O óxido nitroso (N 20), também conhecido como gás hilariante, é uma gás que causa efeito estufa cuja concentração vem aumentando nos últimos anos a uma taxa de 0, 25% ao ano. O óxido nitroso é 270 vezes mais eficaz que o CO 2. Parte 4 30

Óxido Nitroso N 20 Produção: O N 20 é produzido no solo através do processo químico que envolve bactérias e micróbios. Remoção: O N 20 é consumido na atmosfera através das reações fotoquímicas com a participação da radiação ultravioleta. Parte 4 31

Taxa de aumento N 20 ppb = partes por bilhão Parte 4 Fonte: IPCC, 2001 32

Situação do N 20 ppb = partes por bilhão Parte 4 Fonte: IPCC, 2001 33

Taxa de crescimento do N 20 A concentração de N 20 vem aumentando nos últimos anos a uma taxa de 0, 25% ao ano. Parte 4 34

no Mínimo de Maudner Consequencias Do Aquecimento global e nos dias de hoje. . . Parte 4 35

Mas para os homens. . 1858 - 1889 Sack Coat in Bankers Grey Atual!!!!!!!!! Parte 4 36

Cloro-Flúor-Carbonetos (CFC) Os cloro-flúor-carbonetos (CFC) são gases não-tóxicos; inventados em 1928 para serem usados em aparelhos de ar condicionado, refrigeradores e também em spray de inseticidas, produtos de limpeza e desodorantes. Esses gases têm sido apontados entre os principais causadores da destruição da camada de ozônio. Este fato ocorre porque são capazes de alcançar a faixa da atmosfera onde se encontra a maior concentração de ozônio (O 3) e, ao serem atingidos pelos raios ultravioletas, liberam monóxido de cloro, que reage com o ozônio, decompondo-o. O CFC é 1000 vezes mais potentes para captar energia. solar Parte 4 37

Destruição do Ozônio Fonte: NASA Parte 4 38

Situação do CFC ppt = partes por trilhão Parte 4 Fonte: IPCC, 2001 39

Taxa de variação do CFC A concentração do CFC vem diminuindo nos últimos anos a uma taxa de: ppt = partes por trilhão Parte 4 40

Átomos Os gases atmosféricos, bem como toda a matéria do universo, são formados por pequenas partículas denominadas átomos. Os átomos são constituídos por elétrons, prótons e nêutrons. Prótons: cargas positivas Nêutrons: não tem carga Elétrons: cargas negativas Fonte: Meteorology Today Parte 4 41

Íons e Ionosfera A maior parte das partículas atmosféricas é neutra. Contudo, podem ganhar ou perder elétrons e tornam-se eletricamente carregadas, passando a serem denominadas de íons. A região da atmosfera onde as partículas são íons (positivos ou negativos) é a ionosfera Parte 4 42

Ionização O processo de formação de moléculas e átomos com cargas elétricas através da perda ou ganho de elétrons é denominado ionização. Os diferentes átomos manifestam distintos graus de atração dos elétrons de átomos próximos. Isto pode fazer com que um átomo perca alguns de seus elétrons, tornando-se um íon positivo (cátion) e o outro, que ganhou elétrons, torna-se um íon negativo (ânion). Parte 4 43

Foto-Ionização A foto-ionização é a ionização de um gás pela luz ou outra radiação eletromagnética. Para isso, os fótons devem ter energia suficiente para separar um ou mais elétrons externos dos átomos de gás. Acima de 90 km, a radiação solar nos comprimentos de onda abaixo de 0, 1 µm é totalmente absorvida pela atmosfera no processo de foto-ionização do N 2, O 2 e O, dando origem as camadas E e F da Ionosfera. Parte 4 44

Ionosfera As partículas carregadas com cargas positivas e negativas na atmosfera apresentam uma condição instável, onde as interações com outras partículas alteram as suas características físicas tais como velocidade, carga elétrica, etc. Em geral, as partículas interagem entre si através das colisões. Como a taxa de colisão é proporcional à densidade de partículas, verifica-se que as partículas têm maior chance de permanecer eletricamente carregadas nas regiões da atmosfera onde a densidade. é pequena. Assim, a ionosfera está localizada na camada mais externa da atmosfera acima de 50 km da superfície. Parte 4 45

Ionosfera Fonte: Atmospheric Science, Wallace e Hobbs Parte 4 46

Sub-Camadas da Ionosfera A ionosfera é composta na sua maior parte de elétrons livres produzidos na foto-ionização das moléculas e átomos. Ela é dividida em de três camadas: § Camada D - 50 a 90 km de altitude em relação ao nível médio do mar; § Camada E - 90 a 140 km de altitude em relação ao nível médio do mar; § Camada F - Acima de 140 km de altitude em relação ao nível médio do mar. Parte 4 47

Ionosfera Parte 4 48

Ciclo diurno da Camada D A camada D (parte mais baixa) reflete as ondas de rádio AM de volta para a Terra. À noite, esta camada desaparece em virtude da ausência da radiação solar fazendo com que a transmissão de ondas de rádio tenha um alcance maior do que durante o dia. Parte 4 49

Ciclo diurno da Camada D Noite Dia Fonte: Meteorology Today Parte 4 50

Magnetosfera Fonte: Meteorology Today Parte 4 51

Magnetosfera O campo magnético que envolve a Terra é muito semelhante ao campo de um dipolo magnético. O eixo desse dipolo encontra-se inclinado cerca de 13º em relação ao eixo da Terra. A região onde o campo magnético da Terra é suficientemente intenso para defletir as partículas de alta energia da exosfera é denominada magnetosfera. Parte 4 52

Vento Solar e Magnetosfera Fora da magnetosfera, envolvendo a Terra existe um plasma constituído de partículas de alta energia que são gerados no Sol e trazidas até a Terra pelos ventos solares. Parte 4 53

Vento Solar e Magnetosfera Parte 4 54

Vento solar O vento solar é o movimento organizado das partículas ionizadas geradas na cromosfera do sol e que se afastam do Sol com velocidade da ordem de 500 km s-1. Fonte: Meteorology Today Parte 4 55

Sol Fonte: Meteorology Today Parte 4 56

Sol Fonte: Meteorology Today Parte 4 57

Aurora Boreal ou Austral As partículas ejetadas pelo Sol que viajam em direção à Terra se juntam próximo aos pólos onde a densidade de linhas de campo magnético é maior , - por conseguinte, mais intenso é o campo magnético - e interagem com a ionosfera, excitando os elétrons dos gases, principalmente os neutros, que emitem radiação na região do visível do espectro de radiação. Esta radiação é observada na superfície da Terra nas regiões polares como regiões de luminescência. As faixas coloridas produzidas no céu devido à interação das partículas de “poeira solar” com a ionosfera próximo às regiões polares são denominadas de aurora boreal (pólo norte) e austral (pólo. Parte sul). 4 58

Auroras Parte 4 59

A aurora polar terrestre é causada por elétrons de energia de 1 a 15 ke. V, além de prótons e partículas alfa, sendo que a luz é produzida quando eles colidem com átomos da atmosfera do planeta, predominantemente oxigênio e nitrogênio, tipicamente em altitudes entre 80 e 150 km. De modo geral, o efeito luminoso é dominado pela emissão de átomos de oxigênio em altas camadas atmosféricas (em torno de 200 km de altitude), o que produz a tonalidade verde. Quando a tempestade é forte, camadas mais baixas da atmosfera são atingidas pelo vento solar (em torno de 100 km de altitude), produzindo a tonalidade vermelho escura pela emissão de átomos de nitrogênio (predominante) e oxigênio. Outros elementos produzem uma enorme gama de cores tais como, sódio e o cloro. Átomos de oxigênio emitem tonalidades de cores bastante variadas, mas as predominantes são o vermelho e o verde. Parte 4 60

Parte 4 61

Parte 4 62

Auroras em Saturno Parte 4 63

Radiação A radiação é uma forma de transporte de energia através de ondas eletromagnéticas. Neste processo, a quantidade de energia transportada por uma onda eletromagnética é inversamente proporcional ao comprimento de onda (l). Parte 4 64

Fótons são pacotes de energia das ondas eletromagnéticas, que a transportam no processo de radiação. A quantidade de energia associada a um fóton é igual a: onde h é a constante de Planck igual a 6, 626 x 10 -34 J s e n é a freqüência de oscilação da onda eletromagnética. Parte 4 65

Espectro de Energia Como a onda eletromagnética se propaga com a velocidade constante e igual a da luz (c), então a freqüência (n) e o comprimento de onda (l) dessas ondas obedecem à seguinte relação: A distribuição de energia de uma onda eletromagnética em função do comprimento de onda (ou freqüência) é denominada espectro de energia. Parte 4 66

Espectro de Radiação Fonte: Meteorology Today Parte 4 67

Radiação Solar Fonte: Meteorology Today Parte 4 68

Espectro de radiação solar O espectro de energia emitido pelo Sol indica uma emissão contínua em um intervalo de comprimentos de onda que vai de 0, 1 mm até 1 mm. Cerca de 44 % da energia do Sol encontra-se na região de espectro denominada de região do visível compreendida entre os comprimentos de onda que vão de 0, 4 mm a 0, 7 mm. Parte 4 69

Radiação Terrestre O espectro de energia emitido pela Terra indica uma emissão contínua entre 1 mm e 100 mm. Assim, não existe sobreposição entre os espectros de energia emitidos pelo Sol e pela Terra, de tal forma que a radiação proveniente da Terra é tratada de forma totalmente independente da radiação proveniente do Sol e, conseqüentemente, denominada de radiação terrestre ou radiação de onda longa. Parte 4 70

Radiação Infravermelha A radiação terrestre também é chamada de radiação infravermelha devido á posição que ocupa no espectro de radiação eletromagnética. Parte 4 71

Radiação solar e terrestre Fonte: Meteorology Today Parte 4 72

Corpo negro é o nome dado ao corpo que emite o máximo possível de radiação em todos os comprimentos de onda. Utilizando essa definição, lei de Stefan-Boltzman indica que a quantidade de energia emitida por um corpo negro é função da temperatura do corpo. Parte 4 73

Lei de Stefan-Boltzman onde E é o fluxo de radiação em W. m-2, s é a constante de Stefan-Boltzmann (s = 5, 67 x 10 -8 W m-2 K-4) e T é a temperatura em Kelvin. Tanto o Sol quanto a Terra emitem como um corpo negro a temperaturas de 6000 K e 288 K. Parte 4 74

Absorção e Emissão No processo de absorção de radiação pelas moléculas de um gás, a energia absorvida é utilizada para modificar a configuração eletrônica do átomo do gás, fazendo com que um elétron mude de um orbital para outro mais energético. A quantidade de energia envolvida neste processo é discreta e depende somente da natureza do átomo. No processo de emissão de energia de um gás, a energia emitida é igual a energia empregada na transição eletrônica. Parte 4 75

Absorção e emissão de radiação Fonte: Meteorology Today Parte 4 76

Radiação solar e atmosfera Os gases atmosféricos absorvem radiação solar e terrestre e emitem radiação de onda longa. Fonte: Meteorology Today Parte 4 77

Efeito estufa Parte 4 78

Foto dissociação A foto-dissociação consiste em uma reação química onde as moléculas são divididas em moléculas menores ou átomos isolados devido à interação com a radiação solar. A energia da radiação solar para os comprimentos de onda entre 0, 1 µm e 0, 2 µm é praticamente toda absorvida na fotodissociação do oxigênio molecular em oxigênio atômico. Esta reação ocorre na atmosfera entre 50 km e 110 km de altitude Parte 4 79

Foto-dissociação Um outro exemplo de foto-dissociação é do gás ozônio que, ao interagir com a radiação solar produz oxigênio molecular (gás) e um oxigênio atômico: A radiação solar comprimento de onda entre 0, 2 µm e 0, 3 µm é responsável pela foto-dissociação do ozônio nas regiões da atmosfera entre 30 e 60 km de altitude Parte 4 80

Ozônio Troposférico Tendo em vista a sua grande capacidade de combinação com outros átomos (reatividade), nas camadas onde o oxigênio atômico é produzido, ocorrem outras reações químicas com outros constituintes químicos com a participação do oxigênio atômico. A reação química importante é a da formação do ozônio: Parte 4 81

Ozônio e Oxigênio Parte 4 82

Formação do ozônio estratosférico § A formação do Ozônio ocorre na Estratosfera a uma altitude média de 30 km onde os radiação solar ultravioleta tem tamanho de onda menor que 242 nm § O 2 + h=> O + O (1) § O átomo de O reage rapidamente com O 2 na presença de uma terceira molécula M (O 2 ou N 2), para formar o Ozônio § O + O 2 + M => O 3 + M (2) § Na presença de radiação na faixa de 240 a 320 nm temos § O 3 + h=> O 2 + O (3) § E também podemos ter a seguinte reação § O 3 + O => O 2 + O 2 (4) Parte 4 83

Ozônio Estratosférico Parte 4 84

Ozônio Estratosférico Parte 4 85

Ozônio Estratosférico Parte 4 86

Buraco de Ozônio Esfriamento da estratosfera Vs. Aquecimento da troposfera = Aumento de varios metros na tropopausa Parte 4 87

Remoção de Ozônio Parte 4 88

Remoção de Ozônio Parte 4 89

Radiação Ultra-Violeta Parte 4 90

Ciclo Diurno da UV Parte 4 91

Índice de UV Parte 4 92