A MUDANÇA DO CLIMA GLOBAL

Download A MUDANÇA DO CLIMA GLOBAL

Post on 07-Jan-2017

214 views

Category:

Documents

0 download

TRANSCRIPT

  • Traduo e adaptao de: Ligia Maria MorettoDepartamento de Qumica Fsica, Universidade Ca Foscari de Veneza, Itlia

    www.unive.it

    De um texto original em italiano de Fulvio ZecchiniConsrcio Interuniversitrio Qumica para o Ambiente,

    Veneza Marghera, Itliawww.incaweb.org

    IIUUPPAACCIInntteerrnnaattiioonnaall UUnniioonn ooff PPuurree aanndd

    AApppplliieedd CChheemmiissttrryywwwwww..iiuuppaacc..oorrgg

    A MUDANA DO CLIMA GLOBALO efeito estufa e a diminuio da camada de oznio

    IIUUPPAACCIInntteerrnnaattiioonnaall UUnniioonn ooff PPuurree aanndd

    AApppplliieedd CChheemmiissttrryywwwwww..iiuuppaacc..oorrgg

  • Publicado em Julho de 2007 pelo Consrcio Inter-Universitrio NacionalA Qumica para o Ambiente e IUPAC Unio Internacional de Qumica Pura e Aplicada

    Todos os direitos so reservados. A presente publicao, toda ou emparte, no pode ser reproduzida, transmitida em nenhuma forma e comnenhum meio: eletrnico, mecnico, sob forma de fotocpia, gravaoou outro, sem a autorizao por escrito do editor.

    Imagem da capa: Mudanas climticas de Francesco Tundo.

    Printed in July 2007 by: Poligrafica, VeneziaPre-press: CompuService Venezia

    Estrado de:UMA INTRODUO QUMICA VERDE(Um manual para a escola de segundo grau).

    Green Chemistry Series n 9Publicado em Julho de 2005 pelo Consrcio INCA.

    Coordenador: PietroTUNDO

    ISBN: 88-88214-12-7

    IIUUPPAACCIInntteerrnnaattiioonnaall UUnniioonn ooff PPuurree aanndd

    AApppplliieedd CChheemmiissttrryywwwwww..iiuuppaacc..oorrgg

  • Este livro o resultado de um projeto IUPAC, de nmero TGC2005-015-1-300, Mudanas climticas globais - Traduo edifuso de uma monografia para a escola de segundo grau.Coordenao: P. Tundo e F. Zecchini.

  • 3

    ndice

    1. A ATMOSFERA TERRESTRE1.1 COMPOSIO E ESTRUTURA 41.2 A IRRADIAO SOLAR E A TEMPERATURA NA TERRA 6

    1.2.1 Outros fatores que influenciam a temperatura da Terra 8

    2. A POLUIO ATMOSFRICA E O CLIMA2.1 CLASSIFICAO DOS POLUENTES ATMOSFRICOS 92.2 NATUREZA DOS POLUENTES ATMOSFRICOS 102.3 FONTES 112.4 DIFUSO 122.5 EFEITOS 13

    3. O EFEITO ESTUFA3.1 MTODOS DE INVESTIGAO RETROSPECTIVA E DATAO 143.2 SIMULAO EM MODELOS POR COMPUTADOR 16

    3.2.1 Complexidade dos clculos 163.2.2 Dados de entrada para os modelos por computador 173.2.3 Tipos de modelos 18

    3.3 O BALANO ENERGTICO DA TERRA 193.4 O EFEITO ESTUFA DEPENDE DA ESTRUTURA MOLECULAR DOS GASES 23

    3.4.1 A estrutura tridimensional das molculas 233.4.2 Interaes entre a radiao infravermelha e as molculas 25

    3.5 O DIXIDO DE CARBONO O PRINCIPAL GS RESPONSVELPELO EFEITO ESTUFA 29

    3.6 OUTROS GASES RESPONSVEIS PELO EFEITO ESTUFA 313.6.1 Metano 323.6.2 Oznio 333.6.3 Outros gases responsveis pelo efeito estufa 34

    3.7 ALGUNS CENRIOS 35

    4. A DESTRUIO DA OZONOSFERA4.1 O CICLO DO OZNIO 374.2 O DECRSCIMO DE OZNIO 384.3 EFEITOS DO BURACO DE OZNIO NA SADE HUMANA E NO AMBIENTE 394.4 CONEXES ENTRE O DECRSCIMO DE OZNIO E O EFEITO ESTUFA 42

    5. PERSPECTIVAS FUTURAS5.1 FATOS SOBRE O EFEITO ESTUFA 435.2 O PROTOCOLO DE KYOTO 44

    5.2.1 Os objetivos europeus do Protocolo de Kyoto 455.3 PERSPECTIVAS 46

    5.3.1 O papel da Qumica Verde nas mudanas climticas 47

  • 4

    1 A Atmosfera terrestre

    A primeira etapa para compreender os fenmenos relativos s mudanas climticas como oefeito estufa e a diminuio da camada de oznio compreender o que a atmosfera ter-restre e quais so as suas peculiaridades. A atmosfera simplesmente composta de uma mis-tura de gases (e partculas), normalmente chamada ar, que circunda a Terra e mantida coesapela gravidade. Sua composio e a quantidade relativa dos gases variaram drasticamentedurante a evoluo do nosso planeta. A interao da atmosfera - com as suas caractersticasqumicas e fsicas com a hidrosfera, litosfera e biosfera, e com a irradiao solar (a maiorfonte de energia do nosso planeta), determina o clima do nosso planeta e influencia a vida detodos os seres vivos. Todos esses fatores so estritamente ligados e relacionados aos ciclosda matria e da energia.

    1.1 Composio e estrutura

    Na sua totalidade, a atmosfera atinge uma altitude de cerca 10.000 km, isto , em torno de150% do raio mdio da Terra. A densidade dos gases diminui rapidamente na medida que adistncia da terra aumenta, sendo que aproximadamente 97% desses gases se encontramnos primeiros 29 km. A composio relativa homognea abaixo de 80 km, e constitui umacamada que se chama homosfera. Por outro lado, a heterosfera se caracteriza por variaessignificativas da composio relativa da mistura de gases dentro das suas subcamadas.Considerando o volume total da atmosfera, a abundncia percentual aproximada dos gasesda atmosfera a seguinte: nitrognio: 78,084% (como N2); oxignio: 20,946% (como O2); argnio: 0,934% (Ar, um gs nobre); dixido de carbono: 0,033% (CO2); gases em traos, como alguns gases nobres (hlio, He; nenio, Ne; xennio, Xe; kriptnio,Kr), hidrognio (como H2), metano (CH4), e xido nitroso (N2O).

    Juntamente com os gases mencionados acima, podemos encontrar outros componentesatmosfricos. Alguns so partculas volteis que flutuam no ar, como o vapor dgua, que um dos componentes mais abundantes (at 4% em volume) e determina a umidade atmos-frica. A sua abundncia relativa varia muito com a altitude, a latitude e as condies locais.

    O vapor dgua tem um impacto decisivo sobre a vida na Terra, causando a formao dasnuvens e das precipitaes. Alm disso, ele tem uma outra funo fundamental: o vapor temum papel significativo na capacidade da atmosfera de refletir e absorver parte da radiaosolar. No seu caminho em direo superfcie terrestre e no seu retorno, aps refletir emnosso planeta, parte do calor irradiado capturado e permanece na Terra; desse modo aatmosfera age como uma camada protetora de isolamento trmico. A radiao solar tambm influenciada pela presena de grandes quantidades de partculasatmosfricas suspensas proveniente dos desertos, dos leitos dos rios, das praias, das erupesvulcnicas, dos oceanos1 , da poluio, dos incndios e dos meteoritos. Estes ltimos produzempoeira quando se desintegram devido ao atrito no choque com a atmosfera, atrito que produz umaenorme quantidade de calor que os destri. Somente meteoritos de dimenses realmente muitograndes podem atingir a superfcie terrestre, o que, felizmente, um evento muito raro.

    A poeira que flutua na camada denominada troposfera (ver a seguir) est envolvida em fen-menos como a reflexo, a difuso e a refrao da luz solar, os quais tm como efeito o creps-culo. Tal fenmeno se observa ao nascer e ao pr do sol, quando o Sol est baixo da linha do

    1 Ventos fortes produzem gotas de gua que, aps a evaporao, deixam como resduo cristais de sais em suspenso no ar.

  • horizonte e o cu fica vermelho em conseqncia do comprimento de onda resultante aps ainterao da radiao com a poeira. As partculas agem tambm como ncleos de condensaopara o vapor dgua, favorecendo assim as precipitaes pluviais. Normalmente, alm da cama-da denominada estratosfera (ver mais adiante), no encontramos nenhum outro tipo de partcu-las na atmosfera, como vapor, nuvens ou poeira, mas somente componentes gasosos.

    Nos captulos seguintes discutiremos a influncia da composio qumica em alguns fatoresrelacionados ao clima, os quais fazem com que a vida na Terra seja possvel.Tradicionalmente, o fator usado para subdividir a atmosfera em camadas a temperatura (Fig.1.1), a qual diminui com a altitude de aproximadamente 6,5 C por km na camada inferior,provocando o fenmeno chamado gradiente vertical de temperatura.

    A camada na qual a temperatura diminui constantemente chamada troposfera, onde variaentre +17C e 52C. Essa camada atinge uma altitude mdia de cerca de 14 km, embora o valorreal dependa principalmente da latitude e da estao do ano. O gradiente de temperatura variarepentinamente em uma zona de transio denominada tropopausa, que tem uma espessura deaproximadamente 4 km, e que aumenta cerca de 2 a 3 km durante os meses quentes. Acima desta

    podemos encontrar a camada chamada estratosfera,a qual inicia a uma altitude de aproximadamente 10km nos Plos Norte e Sul, e a 17 km no Equador. Naestratosfera, o gradiente se inverte e a temperaturasobe at 3C. A temperatura atinge 0C a cerca de50 km, onde encontramos a estratopausa, outrazona de transio. A seguir encontramos a mesos-fera na qual a temperatura cai at cerca de 90C aaproximadamente 80 km. Aps uma outra zona detransio chamada mesopausa, a cerca de 90 km, ogradiente de temperatura se inverte novamente e atemperatura aumenta rpida e drasticamente com aaltitude, atingindo cerca de 1750 C na termosfera! Atermosfera , por sua vez, subdividida em duascamadas. A camada inferior apresenta uma espes-sura de cerca de 400-500 km e chamada ionos-fera, porque nela ocorrem processos de ionizao.Essa camada reflete as ondas rdio e filtra a radi-ao solar de forma diversa conforme os compri-mentos de onda, o que causa fenmenos fasci-nantes como a aurora. A ionizao provocadapelos raios X e gama da radiao solar. Devido a suaelevada energia, esses raios so absorvidos pormolculas de nitrognio e hidrognio. Essas molcu-las perdem um eltron e se tornam ons positivos,

    criando uma corrente eltrica na ionosfera. Como aionizao depende da irradiao solar, a sua exten-

    so muito maior no lado exposto do planeta. A camada externa da ionosfera (a partir de 400-500km) chamada exosfera. a camada menos conhecida, na qual a densidade dos gases atmos-fricos diminui drasticamente e onde estes se dispersam em todo o espao sideral, na medida quea temperatura cai at um valor prximo a 270C. Do mesmo modo que a temperatura e a den-sidade dos gases, tambm a presso atmosfrica diminui gradualmente com a altitude. Podemosencontrar aproximadamente 1032 hPa no nvel do solo, 500 hPa a 5.500 m, 400 hPa a 7.000 m,300 hPa a 9.000 m e 200 hPa a 12.000 m2 .

    5

    Figura 1.1. Composio estratigrfica da atmosfera.

    2. Considere as seguintes equivalncias: 1 atmosfera (atm) = 760 torr = 101,325 Pascal (Pa) = 1,013.25 hecto-Pascal(hPa) ou milibar (mbar).

  • 6

    3 Considere que 1 nm (nanometro)= 10-9 m; 1 m (micrometro)= 10-6 m.

    A atmosfera padro definida com base na temperatura ao nvel do solo, ao gradiente ver-tical de temperatura na troposfera, e presso atmosfrica. Considera-se que no nvel do soloa temperatura +15C, a presso 1.013,25 hPa e o gradiente de temperatura de 6,5Cpor km.

    Existe uma outra camada da atmosfera que muito importante para a proteo da sadehumana e do ambiente. A sua definio baseada na sua composio qumica, rica emoznio, e por isso chamada ozonosfera ou camada de oznio.

    1.2 A irradiao solar e a Temperatura na Terra

    Mais adiante vamos tratar do balano energtico da Terra ( 3.3) e das interaes entre asondas eletromagnticas e a matria ( 3.4.2). Aqui queremos somente evidenciar que, como bvio, a maior parte do calor que atinge a Terra provm do Sol sob a forma de irradiaosolar. Esta energia provm das reaes de fuso nuclear nas quais o resultado final que 4prtons (do hidrognio) formam um tomo de hlio, emitindo energia como radiao formadapor vrios tipos de raios e ftons (diferentes comprimento de onda), juntamente com neutrinos.Entre esses tipos de raios podemos encontrar (Fig. 1.2): Raios Y (gama), (comprimento de onda, lambda, = 0,0005 - 0,14 nm)3 ; Raios X ( = 0,01 - 10 nm); Raios ultravioleta, UV ( = 10 - 380 nm); de acordo com a gravidade crescente dos efeitos

    produzidos na sade humana, estes so subdivididos em UV-A ( = 380 - 315 nm), UV-B( = 315 - 280 nm) e UV-C ( = 280 - 10 nm);

    Luz visvel ( = 380 - 780 nm); Raios infravermelho, IR ( = 0,78 - 300 m).

    Aproximadamente 50% da energia radiante provm dos raios gama, X e UV (num total de9%) e luz visvel (41%) e o restante (50%) provm dos raios infravermelho.

    A energia que atinge o nosso planeta constante, mas a insolao, i.. a quantidade de

    Figura 1.2. Espectro da radiao solar.

  • energia que efetivamente atinge a superfcie terrestre, varivel. Essa quantidade dependeprincipalmente de dois fatores que variam conforme a latitude e a variao sazonal na rbitaaparente do Sol: O ngulo de incidncia dos raios solares; A durao da exposio aos raios solares.

    A medida que diminui o ngulo de incidncia, diminui tambm a energia solar, uma vez queela se distribui numa rea sempre maior. O ngulo de incidncia dos raios solares e a incli-nao do eixo da terra (aproximadamente 23,5) determinam, conforme as latitudes, diferentesinsolaes e variaes sazonais de temperatura. Os valores mximos se encontram na linhaequatorial (de 10 Norte a 10 Sul), a partir de onde os valores decrescem gradualmente naslinhas tropicais (10- 25 N e S), nas linhas subtropicais (25-35 N e S), nas linhas mdias(35-55 N e S), nas linhas subrticas (55-60 N e S), nas linhas rticas (60-75 N e S) e naslinhas polares (75-90 N e S).

    A inclinao do eixo terrestre permite uma maior insolao tambm em latitudes elevadasdurante as diferentes estaes do ano. Essas reas recebem 40% de energia a mais que nocaso hipottico de uma rbita solar aparente no plano do equador. Nesse ltimo caso, a radi-ao solar chegaria nos plos com um ngulo de incidncia mnimo, as temperaturas seriamsempre muito baixas e no existiriam os famosos longos dias e noites polares.

    Obviamente a durao do dia, que muda de estao em estao no arco do ano, tambminflui nas temperaturas. Alm disso, estas so influenciadas pela perda de insolao na atmos-fera devido aos gases e partculas atmosfricas, os quais causam fenmenos como reflexo,difuso e absoro da radiao.

    A uma altitude de aproximadamente 150 km, a radiao solar possui quase 100% da ener-gia inicial, mas a 88 km quase todos os raios Y e X e parte dos raios UV so absorvidos (ionos-fera). Nas camadas atmosfricas inferiores, molculas de gs causam a difuso parcial dosraios solares4. Na troposfera as partculas que formam aerossis (vide 2.1), provocam umaulterior difuso da radiao recebida. Nesse caso, as ondas mais difusas so aquelas cujoscomprimentos de onda so mais curtos, com uma colorao azulada. por esse motivo queo cu azul.

    Parte da radiao solar que chega na terra refletida pela atmosfera e retorna para o espaoaberto, perdendo-se definitivamente. Uma frao dessa radiao difundida em direo superfcie terrestre. Alm disso, o dixido de carbono e o vapor dgua podem absorver osraios infravermelhos (IR). Esse o chamado efeito estufa e contribui para aumentar a tem-peratura do ar ( 3.4 e 3.5). A porcentagem de absoro de IR varia de aproximadamente10% com um cu claro, a 30% com um cu nublado, conforme as condies meteorolgicas.Considerando a energia refletida e absorvida pelas nuvens, podemos dizer que em geral aradiao solar que atinge a superfcie terrestre varia de 0% a 45%, dependendo de quanto ocu est coberto.

    A superfcie da Terra tambm reflete parte da radiao solar. Esse fenmeno chamadoalbedo, e a sua intensidade depende da natureza da superfcie e do ngulo de incidncia daradiao. O valor do percentual de albedo calculado como 100% multiplicado pela razoentre a radiao refletida e a radiao incidente. Tal valor geralmente menor com um ngu-lo de incidncia mximo (raios perpendiculares) e maior com ngulos de incidncia menores.O albedo das superfcies comuns :

    neve: 75-90%; nuvens densas: 60-90%; nuvens finas: 30-50%;

    4. Simplificando, podemos dizer que se est na presena de difuso quando os raios incidem em partculas com dimensesmenores que o comprimento de onda. Nesses casos, a radiao no refletida em um ngulo oposto em relao ao ngulo deincidncia (reflexo), mas em parte desviada em diferentes direes, de acordo com o comprimento de onda e a natureza emorfologia das partculas.

    7

  • 8

    gelo: 30%; gua: 10%; mdia terrestre: 30%.5

    1.2.1 Outros fatores que influenciam na temperatura da Terra

    A superfcie do solo, tocada pela radiao solar, se aquece mais rapidamente e atinge tem-peraturas mais elevadas do que as superfcies dos oceanos e dos mares. Analogamente, ossolos se resfriam mais rapidamente aps o pr do sol, ou sempre que a radiao solar obscurecida. Como conseqncia, os continentes apresentam uma maior excurso trmica,que tambm depende, obviamente, da extenso de terra considerada. A gua, sendo transpa-rente, permite a penetrao dos raios solares em diferentes profundidades conforme a sua tur-bidez (e outros fatores), enquanto o solo se aquece somente superficialmente. Graas agi-tao vertical e continua evaporao, as guas marinhas e ocenicas se resfriam e a sua tem-peratura se torna mais homognea. Alm disso, a gua tem uma maior capacidade intrnsecade reter o calor (calor especfico).

    Podemos calcular o ciclo anual de temperaturas analisando a mdia aritmtica dos valoressazonais mximos e mnimos. Trs aspectos particulares ligados ao ciclo da temperatura serobrevemente discutidos a seguir.

    Primeiro. O atingimento de valores mximos e mnimos de temperatura atrasado em relaoaos valores de irradiao solar. A energia trmica continua a se acumular na superfcie terrestredurante o ms mais quente do ano (fevereiro no hemisfrio sul). Essa energia liberada sobforma de radiao infravermelha que, tendo energia menor em relao energia solar mdia,causa um aquecimento mais lento.

    Segundo. Normalmente, os oceanos atingem valores mnimo e mximo de temperatura cercade um ms mais tarde do que a terra; respectivamente em agosto e fevereiro no hemisfrio sul.Isso acontece porque, como j foi dito, a gua se aquece e se resfria mais lentamente do queo solo.

    Terceiro. Devido ao maior calor especfico da gua, a excurso trmica nos mares e oceanos menor do que na terra. Desse modo, a presena dos mares mitiga o clima das reas costeirase retarda o tempo para atingir os valores mximos e mnimos de temperatura.

    Uma breve observao final diz respeito diferena de temperatura entre o dia e a noite, aqual alm da presena ou ausncia de irradiao direta tambm influenciada pelo fen-meno da inverso trmica. Tal fenmeno fundamental para a difuso dos poluentes do ar, eser detalhado no pargrafo 2.4.

    2 A poluio atmosfrica e o clima

    Podemos definir a poluio atmosfrica como a presena na atmosfera de compostos quecausam um efeito mensurvel na sade do homem, da fauna ou da flora, ou no ambiente.Essas substncias geralmente no esto presentes na composio normal do ar, ou ento soencontradas em um nvel de concentrao inferior.

    O movimento das massas de ar (ventos, turbulncias, correntes ascendentes, etc.) trans-porta os poluentes para a atmosfera, dispersando-os. A atmosfera os elimina atravs deprocessos de deposio ou de decomposio. Tanto a disperso dos poluentes quanto suaremoo esto estritamente ligadas a fatores climticos que regulam o comportamento dasmassas de ar, especialmente na troposfera. Por esses motivos, o estudo da difuso e dareatividade dos poluentes do ar envolve o conhecimento da qualidade, da quantidade e dostempos de emisso, alm das condies climticas locais.

    5 Cerca 6% do total da radiao solar refletida pelos mares e oceanos.

  • 9

    2.1 Classificao dos poluentes atmosfricos

    Os poluentes podem ser classificados como antrpicos (isto , produzidos pela atividadehumana) ou naturais. Ambos podem ser classificados como poluentes primrios, ou seja, lib-erados no ambiente na sua forma original (por exemplo, dixido de enxofre SO2, monxidode nitrognio- NO, etc.), ou como poluentes secundrios (por exemplo, oznio6, O3) produzi-dos na atmosfera atravs de reaes fsico-qumicas a partir de precursores.

    At hoje j foram catalogados cerca de 3.000 poluentes atmosfricos, a maior parte dosquais deriva de atividades humanas ligadas ao uso de veculos a motor, produo industri-al, a atividades domsticas, etc. O modo de formao e de emisso dos poluentes no ambi-ente pode variar consideravelmente. Muitos fatores afetam a sua estrutura e difuso na atmos-fera. Por exemplo, poluentes secundrios (de origem antrpica ou natural) so gerados porpoluentes primrios aps modificaes de diferente natureza, freqentemente causadas porreaes que envolvem luz e oxignio (foto-oxidao).

    Os principais poluentes primrios so produzidos durante os processos de combusto, quepodem ter vrias origens. Entre esses compostos se encontram o monxido de carbono (CO),dixido de carbono (CO2), xidos de nitrognio (NOx, principalmente na forma de monxido NO), poeiras e hidrocarbonetos no queimados. Se os combustveis contm enxofre, ocorremtambm emisses de dixido de enxofre (SO2) o qual se transforma em SO3 e depois, reagin-do com gua, forma cido sulfrico (H2SO4) e contribui ao fenmeno das chuvas cidas.

    Aps a sua entrada na atmosfera, os poluentes primrios sofrem processos de difuso,transporte e deposio. Algumas transformaes qumicas e fsicas podem ocorrer resultandona formao de contaminantes secundrios. Algumas vezes, estes ltimos podem ser maistxicos e persistentes do que os compostos originais.

    Entre as reaes qumicas que produzem poluentes secundrios na atmosfera, so particular-mente importantes as que envolvem os xidos de nitrognio e os hidrocarbonetos na presena daradiao solar. Essas reaes em cadeia levam oxidao do NO a NO2 (dixido de nitrognio),produzem O3, oxidam os hidrocarbonetos e produzem tambm aldedos e peroxiacetilnitratos(PAN), cido ntrico, nitratos e nitro-derivados. Estas reaes tambm do origem a centenas desubprodutos menores. Todos esses compostos, na fase particulado, formam o nevoeiro foto-qumico, que constitui uma contaminao extremamente perigosa para o ecossistema, alm deinfluir no ciclo do oznio (4.2). O termo nevoeiro (smog ) indica a reduo da visibilidade que associada com tal tipo de poluio, devido a formao de numerosas partculas grandes (particu-lado). Conforme a sua natureza, o particulado atmosfrico pode ser classificado como segue:

    aerossol: constitudo por partculas slidas ou lquidas em suspenso, dimetro < 1 m;nevoeiro: constitudo por gotas, dimetro < 2 m;exalao: constituda por partculas slidas de dimetro < 1 m, normalmente emitidas

    por processos industriais qumicos ou metalrgicos;fumaa: partculas slidas com dimetro geralmente < 2 m, transportado por misturas

    de gases;poeira: verdadeiras poeiras so constitudas por partculas slidas de dimetro var-

    ivel entre 0,25 e 500 m;areia: constituda de partculas slidas com dimetro > 500 m.

    Partculas primrias so aquelas emitidas por fontes naturais e antrpicas na sua forma original.Partculas secundrias so aquelas derivadas das primrias atravs de uma ou mais reaes

    6 Algumas molculas, como o oznio e o dixido de carbono, so necessrias para a vida na Terra, mas devem se manter dentro decertos nveis de concentrao e/ou delimitadas em certas camadas da atmosfera. Em caso contrrio, podem provocar danos aossistemas vivos presentes no ambiente e so consideradas poluentes.

  • 10

    qumicas ou fsicas que ocorrem na atmosfera. As poeiras finas so constitudas somente porpartculas primrias e tm um dimetro < 2.5 m. Partculas maiores produzem poeira grossa.No que diz respeito a sade, partculas < 10 m (abreviadas como PM10) so particularmenteperigosas, pois so partculas que podem ser inaladas e podem entrar no trato superior doaparelho respiratrio (das narinas laringe). Cerca de 60% dos PM10 so, na verdade, PM25(poeira fina) com dimetro < 2.5 m e so partculas respirveis que podem atingir o trato infe-rior do aparelho respiratrio (da traqueia ao alvolo pulmonar).

    2.2 Natureza dos poluentes atmosfricos

    A poluio de origem antrpica apresenta certamente um impacto maior no ambiente e na sadea nvel global se comparada com a poluio de origem natural. Mesmo assim, a poluio naturalpode ter efeitos graves, especialmente a nvel local ou geograficamente limitado.

    Os poluentes naturais do ar so parte da histria da Terra. Poeiras e gases so emitidos porvulces, incndios em florestas (alguns dos quais de origem natural, como por exemplo osincndios causados por erupes vulcnicas), e pela decomposio de compostos orgnicos.Esses poluentes naturais entram na atmosfera peridica ou ocasionalmente e, em algumasvezes, a sua concentrao pode ser to alta a ponto de afetar dramaticamente o clima, espe-cialmente a nvel local (erupes vulcnicas).

    No caso de alguns poluentes especficos, as fontes naturais podem superar as antrpicasem termos de quantidade. Um exemplo o dixido de enxofre (SO2) gerado pelas erupesvulcnicas, pela decomposio de matria orgnica e em incndios naturais em florestas.Segundo uma estimativa de 1983, fontes naturais emitiram na atmosfera entre 80 e 290 mi-lhes de toneladas de SO2 por ano, enquanto as emisses provenientes de atividadeshumanas foram em torno de 69 milhes de toneladas por ano. Outro exemplo constitudopelos xidos de nitrognio (NOx), gerados naturalmente por vulces, oceanos, decomposioorgnica e raios e troves (interao entre relmpagos e gases atmosfricos). A emisso deNOx de origem natural estimada entre 20 e 90 milhes de toneladas por ano, contra aproxi-madamente 24 milhes de toneladas por ano de origem antrpica.

    Alguns gases atmosfricos podem ser considerados poluentes segundo a sua concentraoe/ou localizao, como por exemplo o CO2 em concentrao excessiva (efeito estufa) ou ooznio pela sua localizao. Na estratosfera, o oznio fundamental para a filtragem da radia-o UV excessiva, mas ao nvel da troposfera ele considerado um poluente porque podecausar danos ao aparelho respiratrio (vide 3.6.2.).

    Ao contrrio dos poluentes gasosos, fontes naturais de particulado (vulces e tempestadesde areia) geralmente tm um impacto limitado no ambiente, no clima e na sade. Essas fontesgeralmente produzem partculas grandes e pesadas no respirveis, e permanecem naatmosfera por um perodo muito breve. Raramente estas emisses so responsveis por fen-menos de grande escala, uma vez que tais eventos freqentemente ocorrem em tempo e reamuito limitados. Existem porm excees. Em maio de 1980, a erupo do vulco SantaHelena piorou notavelmente a qualidade do ar nos USA e em toda a regio nordeste doPacfico durante meses, com conseqncias no clima mundial. Esse fenmeno foi devido auma reduo prolongada da insolao causada pela fumaa e outras partculas, influenciandoento o aquecimento das massas de ar e da superfcie terrestre. Outra fonte natural da emis-so em larga escala de partculas na atmosfera o transporte pelo vento de poeira e de areiados grandes desertos (tecnicamente chamada deflao). Por exemplo, areias do Saharapodem ser transportadas aos pases relativamente vizinhos, como a Itlia e a Grcia, maspodem tambm atingir pases to distantes quanto a Inglaterra, causando fenmenos curiososcomo chuva vermelha e neve vermelha. De qualquer modo esses eventos no so muitofreqentes e os riscos para a sade e o ambiente so relativamente limitados.

  • 11

    Alguns compostos orgnicos volteis (VOC) so produzidos naturalmente pelas plantas. Porexemplo, o isopreno um VOC comum produzido pelas plantas nas quais tem diferentesfunes, geralmente ligadas proteo da planta. Alguns pesquisadores consideram que oisopreno tem um impacto significativo na exploso de asma e alergias, superior a muitos com-postos de origem antrpica. Alm disso, as plantas produzem plen que parte do particula-do atmosfrico e muito conhecido pelas suas propriedades alergnicas.

    A maioria dos componentes gasosos do ar parte dos ciclos naturais da matria. Eles sogeralmente auto-regulados por sistemas de retroao (feedback ) que consentem amanuteno de um equilbrio dinmico (homeostase) entre os vrios compartimentos do ecos-sistema, onde as concentraes tendem a permanecer constantes. De qualquer forma, a emis-so adicional dos mesmos componentes ou de molculas xenobitiocas7 , pode alterar osequilbrios desses ciclos biogeoqumicos naturais. Por exemplo, a alterao do equilbrio dociclo do carbono devido emisso antrpica de CO2 uma das maiores causas do aumen-to do efeito estufa (aquecimento global).

    2.3 Fontes

    A poluio ambiental evoluiu com a humanidade. Durante a nossa histria, ns exploramosos recursos naturais sem prestar ateno s conseqncias que as nossas atividades poderi-am ter sobre o ambiente. No passado a populao mundial era menos numerosa, portanto oseu impacto ambiental era praticamente insignificante a nvel global. Ao contrrio, a explosodemogrfica atual e a concentrao da populao em centros urbanos, juntamente com a re-voluo industrial, fazem com que a poluio produzida pela humanidade seja maior. Se anossa desateno ao ambiente no passado era fundamentalmente causada pela falta de co-nhecimento cientfico e tecnolgico, atualmente a principal causa desta desateno a indife-rena, ou at mesmo a especulao econmica e poltica dos pases industrializados ou emdesenvolvimento.

    Quase todas as atividades dirias do homem moderno envolvem produo de poluentes,enquanto estes - direta ou indiretamente - implicam processos de combusto: cozinhar ali-mentos, aquecer casas, usar eletricidade, usar veculos a motor, e assim por diante.

    A poluio antrpica do ar pode ter origem em fontes fixas que podem ser grandes, comofbricas e estaes de gerao de energia, ou pequenas, como sistemas de aquecimentodomstico. A poluio pode tambm ter origem em fontes mveis, como veculos a motor.Como podemos ver, muitas dessas fontes so ligadas com a produo e o consumo de ener-gia, especialmente quando so usados combustveis fsseis e seus derivados.

    O uso de combustveis para o aquecimento domstico em particular leo combustvelpesado, biomassa e carvo uma importante fonte de poluio, pois produz CO, CO2, SO2e particulado. O trnsito de veculos contribui enormemente emisso de tais contaminantes,especialmente nos grandes centros urbanos, onde os congestionamentos so freqentes, ouem reas onde ainda so usados combustveis com elevado contedo de enxofre. Em zonasonde a gasolina com chumbo ainda usada, o trnsito responsvel por 80-90% do conte-do total desse metal na atmosfera: o chumbo um metal txico a concentraes elevadas (eleprovoca uma intoxicao por chumbo chamada saturnismo). Alm disso, os motores a com-busto interna so a maior fonte de monxido de carbono (CO). Esta molcula txica e causauma espcie de envenenamento do sangue por causa da sua grande afinidade com a hemo-globina dos eritrcitos, alterando assim a capacidade de transporte e intercmbio de O2/CO2.Outro gs muito perigoso produzido por esses motores o monxido de nitrognio (NO). Eleinterage negativamente com o ciclo do oznio, combinando-se com oxignio e gua, pro-

    7 Estas so molculas e compostos artificiais exclusivamente de origem antrpica, no sendo tpicas de processos biolgicos naturais.

  • 12

    duzindo cido ntrico gasoso. Este ltimo cria as condies de baixo pH necessrias para aemisso de cloro e bromo dos contaminantes, molculas de halognios que destroem o ozniodurante especficas reaes em cadeia (vide detalhes em 4.2).

    Alm dos gases e particulados normalmente produzidos no processo de combusto, aatmosfera recebe muitos poluentes que so subprodutos de alguns processos de produoindustrial. Tais molculas so emitidas em qualidade e quantidade muito variveis, mas apre-sentam um menor impacto em mbito global, uma vez que so emitidas na atmosfera em con-centraes significativamente baixas. Diversamente, em mbito local o acmulo de algumasdessas molculas particularmente txicas pode se tornar perigoso.

    Alm da toxicidade intrnseca e da quantidade liberada, o impacto dos poluentes na sadedepende da localizao da emisso e da sua difuso. Grandes fontes fixas, normalmente loca-lizadas longe dos grandes centros urbanos, usualmente dispersam os contaminantes emmaior altitude (usando chamins, por exemplo). Por outro lado, os sistemas de aquecimentodomsticos e os veculos a motor liberam os poluentes ao nvel do solo em reas densamentepovoadas. Como conseqncia, pequenas fontes de poluio, sejam fixas ou mveis, tm ummaior impacto negativo na qualidade do ar nas reas urbanas.

    2.4 Difuso

    A concentrao dos poluentes atmosfricos depende de vrios fatores: Quantidade dos poluentes nas emisses; Nmero e densidade das fontes de poluio; Distncia da fonte; Transformaes qumicas e fsicas dos poluentes na atmosfera; Velocidade de precipitao (fallout ); Caractersticas geomorfolgicas da rea poluda; Condies meteorolgicas locais e gerais.

    Omitindo algumas particularidades especficas, para os nossos objetivos importante eviden-ciar a influncia fundamental das condies meteorolgicas na gerao, na gravidade e naevoluo da poluio atmosfrica.

    Em escala local, o fator que mais afeta o transporte e a difuso dos contaminantes na atmos-fera a velocidade do vento. Um papel relevante tambm atribudo s precipitaes atmos-fricas, que contribuem para lavar os poluentes e precipit-los no solo. Normalmente os distritosurbanos e industriais so os mais expostos ao fenmeno da poluio. Este ainda mais prov-vel nas reas industriais cujas caractersticas geomorfolgicas inibem a circulao do ar, comopor exemplo, vales circundados por montanhas.

    Outros aspectos importantes durante episdios agudos de poluio so o grau de insolao ea temperatura. Em condies especiais estes fatores podem causar a formao do nevoeirofotoqumico que, por sua vez pode influir em muitas variveis climticas (insolao, etc.).

    Em geral, menores concentraes de poluentes so favorecidas por ventilao e condiesestveis nas camadas mais baixas da atmosfera. Ao contrrio, altas concentraes so favoreci-das por nevoeiros duradouros, ausncia de vento ou inverses trmicas.

    As inverses trmicas impedem uma boa mistura da massa de ar. J discutimos anteriormentesobre os gradientes trmicos da troposfera ( 1.1), onde a temperatura diminui constantementecom a altitude. Isto ocorre porque as massas de ar mais quentes, sendo menos densas, sobeme deslocam as massas mais frias, as quais, por sua vez, descem e se aquecem. O ar quente o ar mais contaminado, uma vez que ele vem do nvel do solo, onde se encontram, principal-mente, as fontes de poluio. Este mecanismo produz uma diminuio da concentrao dos polu-entes atmosfricos na coluna de ar, devido mistura vertical. Durante as inverses trmicas de

  • irradiao, quando se verificam particulares condies meteorolgicas, algumas camadas maisquentes podem se formar em altitudes que variam de algumas dezenas a centenas de metros.Nestes casos, as camadas inferiores no podem subir e ficam retidas ao nvel do solo, onde oscontaminantes se acumulam. Estas inverses geralmente ocorrem em noites sem nuvens, depoisdo pr do sol. O solo se resfria rapidamente causando um rpido resfriamento do ar. Tais inver-ses normalmente terminam pela manh, quando o solo se esquenta, mas se condies parti-culares inibem tal aquecimento, os poluentes podem se acumular por alguns dias, sendo assimpossvel atingir nveis muito elevados de concentrao.

    2.5 Efeitos

    Uma descrio completa dos efeitos dos poluentes do ar vai alm dos objetivos do presentelivro. Queremos aqui recordar brevemente alguns aspectos e interconexes entre os diferentesfenmenos.

    O impacto ambiental da poluio atmosfrica pode ser verificado e compreendido por qual-quer pessoa. Ela tem efeitos negativos sobre a sade humana, a agricultura, a zootecnia, afauna, a flora e os ecossistemas como um todo. Tambm provoca danos (por exemplo, atravsdas chuvas cidas) nas estruturas realizadas pelo homem, tais como monumentos e obras dearte, estruturas metlicas e edifcios.

    Os efeitos negativos da poluio podem ser graves e rpidos (episdios agudos) ou terefeitos prolongados no tempo e acumulativos (episdios crnicos). Os poluentes podem agirem nvel local, por exemplo, destruindo florestas, ou em nvel global, afetando a biosfera e oclima. O nevoeiro fotoqumico normalmente envolve os grandes centros urbanos, caracteri-zando uma ao local. Alguns fenmenos a ele relacionados, como as chuvas cidas, podemtambm afetar amplas zonas distantes; os seus efeitos diretos envolvem a flora, a composiodos solos e a mobilidade/migrao de alguns poluentes (como os metais nos solos, etc.).

    Fatores climticos como a irradiao solar e a temperatura, os ventos e as inverses trmi-cas, tm uma influncia significativa na difuso e na transformao de contaminantes, masessa uma conexo nos dois sentidos. A poluio atmosfrica pode contribuir significativa-mente nas mudanas climticas globais, uma vez que ela pode, por exemplo, aumentar a con-centrao do particulado (interaes com a insolao, etc.), dos gases a efeito estufa ou com-postos perigosos para a camada de oznio. Estas interaes so freqentemente interligadase ns iremos discuti-las nos prximos captulos.

    3 O efeito estufa

    Olhe para o cu e procure o brilhante astro Vnus, planeta que leva o nome da deusa dabeleza dos antigos romanos. Agora, tente imagin-lo. Voc pensa em uma espcie de parasomaravilhoso? Na verdade tal nome no se adapta nem um pouco a esse planeta decidida-mente hostil. Sondas espaciais dos Estados Unidos e da antiga Unio Sovitica revelaram quea sua superfcie deserta apresenta rochas nuas dispersas, com uma temperatura mdia demais de 460C8, que 96% da sua atmosfera feita de dixido de carbono (o restante prin-cipalmente nitrognio), que nuvens de cido sulfrico se movem lentamente no seu cu, e quea sua presso atmosfrica ao nvel do solo noventa vezes maior do que a da Terra.Felizmente as coisas so muito melhores sobre a Terra, onde a temperatura mdia ao redorde 15C e onde ns ainda podemos respirar ar fresco, olhar para o azul do cu e dos oceanos,admirar o verde das paisagens dos bosques e as cores das flores.

    Em base somente a sua distncia do Sol, as temperaturas mdias de Vnus e da Terra de-veriam ser de 100C e -18C, respectivamente; eles deveriam ser planetas muito mais frios. O

    8 o planeta mais quente do sistema solar.

    13

  • 14

    fator que mantm uma temperatura de 33 C mais alta no nosso planeta, a presena da suaatmosfera. Como ns sabemos, ela que permite a vida sobre a Terra. O efeito de aqueci-mento da atmosfera se deve principalmente aos dois principais componentes dos seres vivos:gua (sob forma de vapor) e carbono (sob forma de dixido de carbono, CO2).

    A idia de que os gases atmosfricos poderiam de algum modo reter o calor, foi formuladapela primeira vez por Joseph Fourier (1768-1830) em torno do ano de 1800. Ele comparou aatmosfera do nosso planeta com o vidro de uma estufa: ambos deixam passar os raios solarese retm parte do calor que no pode mais ser mandado de volta. Naquele tempo Fourier nosabia dos princpios qumicos e fsicos sobre os quais se baseia este fenmeno, mas o seunome comum, efeito estufa, tem origem nessa comparao. Aproximadamente seis anos maistarde, na Inglaterra, John Tyndall (1820-1893) demonstrou experimentalmente que a gua(vapor) e dixido de carbono absorvem o calor na forma de radiao. Ele tambm calculou oaumento de temperatura devido a presena destas molculas na atmosfera.

    Nos dias de hoje, ns temos provas concretas de que o dixido de carbono absorve calorsob forma de radiao infravermelha, de que a concentrao deste gs no ar aumentoudurante os ltimos 150 anos e de que a temperatura mdia da Terra variou durante as eraspassadas. Usando o nosso conhecimento atual, ns podemos facilmente entender em quemedida a atmosfera de Vnus praticamente composta totalmente de CO2 contribui para amanuteno de uma temperatura mdia de mais de 360C naquele planeta.

    3.1 Mtodos de investigao retrospectiva e datao

    Como evoluram a Terra e o seu clima? Como podemos estudar eventos to distantes nopassado? Como podemos dizer que o clima realmente est mudando em comparao com aseras passadas?

    Ns no somos capazes, atualmente, de viajar atravs do tempo, o que seria a melhor alter-nativa para responder a essas questes, porm, ns temos a cincia. Mesmo sem viajar notempo, a qumica, a fsica e a biologia podem nos dizer muitas coisas a respeito da histria doclima terrestre e da nossa estufa global.

    Certamente ambos, a Terra e a sua atmosfera, mudaram fortemente durante a sua existn-cia desde 4,5 milhes de anos atrs.

    A composio dos gases vulcnicos nos d informaes sobre a composio da atmosferaprimordial, onde a concentrao de dixido de carbono era de cerca de 1.000 vezes mais altado que hoje. Como conseqncia, tambm nos oceanos a sua concentrao era mais alta. Amaior parte deste CO2 se mineralizou como CaCO3 formando os carbonatos dos sedimentosmarinhos. Devido sua elevada concentrao, o CO2 capturou parte da radiao solar dandouma contribuio fundamental para que se atingisse a temperatura mdia idnea para a vida.Isto ocorreu mesmo se, naquele tempo, a radiao solar era 25-30% menor do que a de hoje.Cerca de 3 milhes de anos atrs as cianobactrias plantas unicelulares microscpicas pri-mitivas eram capazes de colonizar os mares. At hoje elas vivem nos mares e em outroshabitats. Como as plantas superiores modernas, elas so capazes de realizar a fotossnteseusando a energia da luz solar para combinar dixido de carbono e gua e produzir carboidratos(normalmente denominados acares). Um exemplo simples a formao de glucose mostra-da na seguinte equao:

    6 CO2 + 6 H2O + luz clorofila C6H12O6 (glicose) + 6 O2

    A fotossntese no s reduz drasticamente a concentrao de CO2 na atmosfera, mas tambmaumenta fortemente a quantidade de oxignio. Segundo a microbiloga e bioqumica americanaLynn Margulis (Universidade de Massachusetts), este um dos maiores eventos de poluio que

  • j aconteceram no nosso planeta. Isto foi realmente uma grande mudana: o desenvolvimentode animais foi possvel graas ao oxignio que eles podiam respirar, uma vez que podiam se ali-mentar com as plantas. Em perodos mais recentes, durante a era dos dinossauros (cerca de 100milhes de anos atrs), a concentrao de CO2 na atmosfera era significativamente maior e, por-tanto, a temperatura mdia do planeta era mais alta do que hoje (a mdia atual de aproxi-madamente 15C).

    Algumas provas cientficas concretas demonstram que durante os ltimos 200.000 anos oque de um ponto de vista geolgico equivale a um piscar de olhos a mdia da temperatura donosso planeta variou consideravelmente. Alguns mtodos de investigao cientfica retrospecti-va nos ajudam a olhar no passado. O estudo da composio dos testemunhos (em ingls, cores )recolhidos no fundo dos oceanos um destes mtodos. As suas diferentes camadas nos doinformaes sobre o nmero e o tipo de microorganismos presentes nas eras passadas. Almdisso, o alinhamento das partculas magnticas do sedimento pode nos dar uma indicao inde-pendente da idade de cada camada9.

    Tambm o estudo dos testemunhos provenientes das reas glaciais muito til para entenderos fatores ligados s mudanas climticas. O projeto de escavao russo em Vostok, naAntrtica, uma das investigaes que produziu maiores resultados. Tais testemunhos so for-

    mados por neve e gelo dos ltimos160.000 anos. A anlise isotpica destasamostras revela a frao de hidrogniopresente como deutrio (2H, um istopopesado da forma comum de 1H) no gelodo testemunho. Este valor nos permite deestimar a temperatura mdia durante aseras passadas. De fato, as molculas quecontm 1H so mais leves do que asmolculas que contm 2H, o que implicaque estas evaporam mais rapidamente.Podemos ento deduzir que encontramosmais hidrognio e menos deutrio novapor dgua atmosfrico do que nassuperfcies das guas. Precipitaes comochuva e neve trazem vapor condensado aosolo, alterando assim a relao 2H/1H.Este valor aumenta tambm conforme atemperatura mdia. Alm disso, podemosanalisar a composio qumica de peque-nas bolhas de ar retidas no gelo para quan-tificar a concentrao de dixido de car-bono e de outros gases atmosfricosnaquelas eras passadas.

    Podemos comparar os dados mencionados acima em um grfico com o tempo no eixo x e aconcentrao atmosfrica de dixido de carbono no primeiro eixo y, e a temperatura mdia nosegundo eixo y (Fig. 3.1). Neste grfico podemos ver que a concentrao de CO2 e a temper-atura mostram tendncias paralelas durante todos os perodos considerados (a partir de 160.000anos atrs at os dias de hoje). Esta uma clara indicao de que existe uma correlao diretaentre estas duas variveis.

    A temperatura mdia mnima (9C abaixo da mdia dos anos 1950-1983) corresponde a

    Figura 3.1. Comparao entre a variao da concen-trao de anidrido carbnico e a temperatura mdia daTerra desde 160.000 anos atrs (presente = ano 2000).Se considera como diferena de temperatura igual azero a mdia entre os anos 1950 e 1980 (AmericlaChemical Society, 2000).).

    9 Ns temos que considerar a inclinao do eixo terreste e o seu lento deslocamento duplo-cnico ao redor do centro da Terra. Istocausa a chamada migrao dos plos. Por esta razo o magnetismo do Plo Norte lentamente se move e no corresponde aoPlo geogrfico. Isto obviamente causa variaes no campo magntico nas vrias eras.

    15

  • 20.000 anos atrs, durante a ltima era glacial. A temperatura mxima se encontra a cerca de130.000 anos atrs, com um valor pouco maior do que 16C. Outras investigaes retrospecti-vas indicam que durante tal perodo mais quente a concentrao de dixido de carbono e demetano (CH4) eram maiores.

    Tais descobertas no demonstram necessariamente que elevadas concentraes de CO2 eCH4 causaram um aumento da temperatura nas eras passadas. Muitos outros fatores ligados aoaquecimento global devem ser considerados. De qualquer forma, hoje em dia sabemos comcerteza que estes gases absorvem o calor e que talvez tiveram algum papel no aquecimentoglobal. Foi provada tambm a existncia de uma flutuao cclica com picos de temperatura deperodos de cerca 100.000 anos, intercalados por eras glaciais. No ltimo milho de anos, nsencontramos as 10 maiores e as 40 menores glaciaes. Entre os fatores envolvidos nessas va-riaes, temos que considerar alguns fatores astronmicos como pequenas mudanas de rbi-ta do nosso planeta, o que influencia a distncia entre o Sol e a Terra, e o ngulo de incidnciados raios solares. Alm disso, existem tambm outros fatores atmosfricos como a capacidadede reflexo da atmosfera, o particulado atmosfrico e, obviamente, a concentrao de gasesresponsveis pelo efeito estufa, como o dixido de carbono e o metano.

    Por causa desta complexidade, ns ainda no podemos identificar com preciso o mecanismode regulao retroativa (feedback) que est por trs deste fenmeno. difcil saber as razespelas quais em certos momentos a temperatura parou de aumentar ou diminui, invertendo aprpria tendncia. De qualquer forma, uma coisa certa: a Terra que ns conhecemos hoje muito diferente do que foi h 130.000 anos atrs.

    3.2 Simulao em modelos por computador

    O papel dos modelos de preparar cenrios confiveis presentes e futuros, baseados no que acon-teceu no passado, em relao a um ou mais fenmenos (modelos de previso). Um outro objetivo detais simulaes computadorizadas testar a teoria, uma vez que o modelo lanado. Pode parecerque a modelizao seja uma coisa simples, mas exatamente o contrrio. extremamente difcil atmesmo somente imaginar a complexidade de um modelo utilizado para prever as mudanas globaisdo clima terrestre. Vamos pensar, por exemplo, em algo muito mais simples: as previses do tempo.Eles nunca as adivinham, no mesmo? Bem, eles certamente no erram de propsito e voc vaisaber o porque durante esta lio, ao descobrir quantas so as variveis que influenciam o clima, tantoem nvel local como em nvel global.

    3.2.1 Complexidade dos clculos

    Um modelo relativamente simples ser usado como exemplo para ilustrar a complexidade dosmodelos climticos. O Box 1 mostra todas as variveis consideradas pelos modelos de previso dotempo utilizados pelo Centro Nacional Italiano de previses meteorolgicas. Tais modelos so tocomplicados que os resultados no sempre so confiveis, mesmo se hoje em dia ns podemos uti-lizar supercomputadores capazes de 3.0 Tflops10 por segundo.

    Voc pode facilmente entender que descrever as tendncias passadas e futuras das mudanasclimticas globais um exerccio que requer muito mais esforo do que as previses do tempo. Osmodelos que prevem cenrios futuros para os prximos 50-100 anos devem considerar estaenorme quantidade de dados em relao ao passado, usando como dados de entrada os resulta-dos dos mtodos de investigao retrospectiva, junto a muitos outros dados provenientes de fontesdiferentes. Em alguns casos, os dados podem no ser disponveis, em outros casos mesmo queseja possvel recolher todos os dados necessrios muito difcil entender todas as intercorrelaese correlaes entre as variveis e descrev-las atravs de uma equao matemtica. Alm dos

    16

  • 17

    parmetros usados para as previses do tempo, muitos outros parmetros devem ser considerados:insolao, atividades dos vulces, concentrao e atividade (sinrgica) dos gases responsveis peloefeito estufa, concentrao e atividade do particulado atmosfrico, efeito dos oceanos e das reasglaciais, emisses de poluentes naturais, influncia da inteira biosfera e, por ltimo, mas no por issomenos importante, a influncia do ser humano.

    O que o homem o animal que causa o maior impacto no planeta vai fazer no futuro com relaoao aquecimento global?

    realmente difcil entender at que ponto chega a complexidade de tais modelos de previso. Alista das variveis aqui apresentada est muito longe de ser completa, mas tem somente o objetivode dar ao leitor uma idia sobre todos os fatores envolvidos.

    3.2.2 Dados de entrada para os modelos por computador

    Os dados de entrada para os modelos de mudanas globais do clima podem provir de vrias fontes:por exemplo, estimativas baseadas na literatura ou em dados histricos, valores instrumentais prove-nientes de laboratrios (incluindo os valores provenientes de investigao retrospectiva, 3.1) e desatlites, ou combinaes destes.

    Um exemplo bastante simples de estimativa pode ser feito considerando um modelo simplificado paraas emisses de CO2 por veculos a motor na Itlia (Box 3.2). Para realizar tal modelo, devemos saber

    quantos veculos esto sendo considerados, quantos quilmetros eles vo percorrer (por exemplo, ototal de km por ano), como calcular as emisses de CO2 por km ou por unidade de combustvelqueimado, etc. Alm disso, temos que saber quais so as correlaes entre estas variveis.Modelos deste tipo podem ser realizados para estimar quanto CO2 emitido pelos sistemas de aque-cimento domsticos, pelos incineradores de resduos slidos urbanos, etc.

    Box 3.1. Variveis de um modelo de previso meteorolgica

    Com o objetivo de dar ao leitor uma boa idia da complexidade dos modelos utilizados para as previsesdo tempo, apresentamos aqui as variveis analisadas pelo centro nacional de previses meteorolgicas daRegio Emilia Romagna (Itlia). O modelo elaborado pelo supercomputador da CINECA (www.cineca.it):

    Parmetros monitorados em 7 nveis de presso vertical: (i.e. 7 altitudes diferentes): temperatura; umidade especfica; geopotencial; vento: direo horizontal e velocidade; vento: velocidade vertical.

    Parmetros monitorados no nvel do solo: temperatura (a 2 metros da terra); umidade relativa (a 2 metros da terra); presso (em relao ao nvel mdio do mar); nuvens (percentual); precipitaes totais (combinadas ao longo de 6 horas, nvel do solo); precipitaes convectivas (combinadas ao longo de 6 horas, nvel do solo); neve (medida como equivalente a gua); vento: direo e velocidade (a 10 metros do nvel do solo).

    Parmetros monitorados em um nico nvel de presso vertical: vorticidade relativa (sob um nvel de presso de 250 hPa; cerca de 10 km).

  • 18

    Alm de usar estimativas, os dados de entrada para modelos provm de anlises instrumentais.Ns podemos analisar amostras de ar recolhidas no nvel do solo ou atravs de bales de sondagemaerolgica, avies especialmente preparados para esta atividade, e satlites. Um exemplo de investi-gao que utiliza laboratrios automatizados realizados em satlites um projeto do grupo RemoteSensing of the Atmosphere do Instituto de Cincias Atmosfricas e Climticas do Conselho Nacionalde Pesquisas Italiano (ISAC-CNR; Box 3.3). Para avaliar o efeito de cada fator do fenmeno exami-nado, todos os dados recolhidos so inseridos em supercomputadores junto de frmulas complicadasque colocam as variveis em relao entre elas.

    3.2.3 Tipos de modelos

    Modelar as mudanas climticas na Terra algo muito complexo, por isso com freqncia os peri-tos recorrem a modelos simplificados. Eles adotam, por exemplo, modelos bidimensionais paradescrever fenmenos que acontecem no espao tridimensional. Podemos dar dois exemplos sim-ples deste procedimento. O primeiro o modelo da longitude fixa, que considera um plano fixoque passa atravs de uma meridiana em uma longitude mdia, e as nicas variveis so a varia-o da altitude (movimentos de cima para baixo e vice-versa) e a variao da latitude (movimentosnorte-sul e vice-versa).

    A gasolina uma mistura de hidrocarbonetos leves (com menos de 12 tomos de carbono, freqentementeindicada como C

  • 19

    Este modelo foi usado pelos cientistas para entender como os gases em traos (entre os quaisesto vrios gases responsveis pelo efeito estufa) se distribuem nas camadas mais altas daatmosfera. Uma das suas aplicaes especficas a descrio da emisso de gases clorinados eas suas interaes com o oznio da estratosfera. Um segundo modelo simplificado o modelo daaltitude fixa, que considera um plano esfrico que inclui todos os pontos a uma altitude mdia cons-tante, e as duas dimenses variveis so as mudanas de latitude (movimentos norte-sul e vice-versa) e a longitude (movimentos leste-oeste e vice-versa). Este modelo idneo para estudos naestratosfera, onde o movimento das massas de ar homogneo em alturas diferentes. Por estarazo ele freqentemente utilizado para estudar os ventos. Modelos bidimensionais simplificadosdificilmente podem ser usados para descrever ou prever fenmenos na troposfera, onde ascondies mudam muito rapidamente em todas as trs direes. Por esta razo, os peritos usammodelos tridimensionais mais complexos, os quais ainda esto sendo testados e em fase de me-lhoramento. Alguns destes modelos consideram os oceanos como sistemas multi-camadas em cir-culao contnua. A atmosfera vista como um sistema de dez (ou mais) camadas, onde todas assees sobrepostas interagem. Enfim, a superfcie da Terra dividida em 100.000 celas. Estesmodelos no so idneos para previses confiveis sobre as mudanas climticas em nvel local,mas eles do boas indicaes sobre tendncias futuras em nvel global. Utilizando tais modelospara simulaes, os cientistas chegaram a prever o aumento da concentrao atmosfrica de CO2(25%) e da temperatura mdia (0,5 - 0,6C) ocorrido no ltimo sculo. Tais resultados so coerentescom as evidncias experimentais.

    3.3 O balano energtico da Terra

    J discutimos no 1.2 sobre o fato de que o Sol a maior fonte de energia do nosso pla-neta. Nesta sesso vamos estudar o balano energtico da Terra (Fig. 3.1 A). Energia ematria so continuamente intercambiadas entre os diferentes componentes do globo;questes como esta podem ser esquematizadas em um modelo acoplado do sistema terrestre(Fig. 3.1 B). Hoje em dia os cientistas dispem de provas muito confiveis ainda que nodefinitivas de que o atual fenmeno do aquecimento global existe e que devido funda-mentalmente a um excessivo efeito estufa. Este ltimo, por sua vez, causado por uma altaconcentrao de gases responsveis pelo efeito estufa, um desequilbrio que causa uma maiorabsoro de energia pela atmosfera e tem como resultado um aumento da temperatura mdia.

    Metade da energia solar que atinge o nosso globo refletida e absorvida pela atmosfera.Ns sabemos que os raios de alta energia (X e ) param na ionosfera e que os raios ultravio-

    O objetivo do projeto GASTRAN 2 o estudo da composio qumica da estratosfera atravs da detecode espectros infravermelhos (vide 3.4.2) usando o MIPAS (Michelson Interferometer for PassiveAtmospheric Sounding ). Tais dados so usados como dados de entrada em modelos computadorizadospara transporte de substncias qumicas, a fim de estudar o perfil concentrao / tempo e entender osprocessos qumicos e as modalidades de transporte a nvel estratosfrico.MIPAS um instrumento projetado e desenvolvido pela Agncia Espacial Europia (ESA) e se situa a bordodo satlite ENVISAT (sigla de ENVIronmental SATellite), lanado no dia 1 de maro de 2002. O objetivocientfico do MIPAS medir a distribuio vertical da concentrao de gases responsveis pelo efeito estu-fa na estratosfera, em altitudes que vo de 8 a 70 km.A emisso de espectro infravermelho nos permite de medir a distribuio do perfil destes gases, o que fun-damental para a qumica da mdia atmosfera. Alm de outras importantes espcies gasosas, o MIPAS vaifornecer o Volume Mixing Ratio (VMR) de H2O, O3, HNO3, CH4, e N2O. Tais valores sero utilizados comodados de entrada para os modelos a fim de estudar os processos qumicos heterogneos rpidos queenvolvem as espcies testadas e variaes de longo perodo.

    Box 3.3. Um exemplo de anlise de gases atmosfricos recolhidos por um satlite (Instituto de Cincias da Atmosfera e do Clima do ConselhoNacional de Pesquisas - ISAC-CNR; Itlia).

  • 20

    leta (UV) so predominantementeabsorvidos pelo oxignio e pelooznio (veremos isto em maioresdetalhes no Captulo 4, sendo esteo mecanismo de base do ciclo dooznio). A temperatura do planetaaumenta porque ele absorve parteda radiao que atinge a sua super-fcie (Fig. 3.1 A; Tab. 3.1). Parte daenergia absorvida , ento, emitidade volta para o espao sob forma deraios infravermelhos (IR). No estadoestacionrio, cerca de 80% da ener-gia irradiada pela superfcie ter-restre novamente absorvida pelaatmosfera. Parte desta energia ento emitida novamente emdireo ao globo (efeito estufa), e aparte restante emitida para oespao externo e definitivamenteperdida. O resultado deste equilbriodinmico a temperatura mdia daTerra, de 15C, que pode ser atingi-da mesmo se o nosso globo se posi-ciona no espao sideral onde a tem-peratura de -270C. Nestascondies, o efeito estufa faz comque a temperatura seja favorvel vida, mas se uma maior quantidadede energia continuamente retidapela atmosfera (e sucessivamenteretorna para o solo) cria-se umasituao de desequilbrio que fazcom que a temperatura mdia tendaa crescer.Tab. 3.1. Balano da radiao solar

    Radiao incidente (, X, UV, IR) Especfica % Tipo %Radiao refletida e/ou difusa em direo do espao pela poeira atmosfrica 5Radiao refletida e/ou difusa em direo do espao pelas nuvens 21 32% Refletida ou difusaRadiao refletida em direo do espao pela superfcie terrestre 6Absoro por molculas (CO2, H2O, etc.), nuvens e poeira 18 68% absorvidaAbsoro pela superfcie terrestre (terras e mares) 50

    Reflexo e absoro total 100%Radiao emitida (IR) Especfica % Tipo %

    Radiao IR emitida pela superfcie terrestre 98 90% IR Emitida pela superfcie terrestre e absorvida

    Radiao IR emitida pela superfcie terrestre em direo do espao (perdida) 8 pela atmosferaIR reemitida pela atmosfera 137* 77% IR Absorvida pela Radiao IR reemitida pela superfcie terrestre em direo do espao (perdida) 60 superfcie terrestre

    aps reemisso pela atmosfera

    Radiao lquida reemitida pela superfcie terrestre 21 68% IR reemitidaRadiao lquida reemitida pela atmosfera 47

    *: percentuais maiores que 100% indicam uma radiao que aumenta com relao ao seu valor incidente, devido aos processos de absoro ede reemisso (vide 3.4.2).

    Figura 3.2 . Trocas entre os diferentes componentes da Terra.A (alto): balano da radiao solar (American Chemical Society, 2000)B (embaixo): modelo do ecossistema da Terra (National Center for AtmosphericResearch, EUA, 1990).T: temperatura. DMS: dimetil sulfeto. OCS: sulfeto de carbono. SST: temperatu-ra da superfcie do mar. Outras abreviaes so descritas no texto.

  • Muitos de ns percebemos o efeito estufa em uma escala muito pequena. Isto acontecequando deixamos os nossos carros expostos luz do sol com as janelas fechadas, especial-mente durante os meses quentes. Os vidros dos carros deixam entrar a radiao solar. Partedesta energia ento absorvida pelo interior do carro, que se aquece, e a seguir parcial-mente liberada em forma de raios IR. Tal radiao tem um maior comprimento de onda e por-tanto uma energia mais baixa e no consegue passar novamente atravs dos vidros. Ela ficaento presa no carro, causando um significativo aumento da temperatura. Este efeito idnti-co ao efeito utilizado nas estufas para as plantas. No mbito planetrio, os vidros do carro sorepresentados pela atmosfera, cujos gases so transparentes radiao solar, mas algunsdeles, os assim chamados gases responsveis pelo efeito estufa, conseguem absorver e refle-tir os raios IR, aquecendo o nosso planeta.

    Entre os gases responsveis pelo efeito estufa, podemos encontrar molculas muito comunscomo dixido de carbono, vapor dgua, metano e outras. As regies de mxima absoro deradiao para alguns gases comuns responsveis pelo efeito estufa so:

    H2O: 1-4 m, 5-7 m, > 12 m; CO2: 2-3 m, 4-5 m, > 13 m; CH4: 3-4 m, 7-8 m; O2: < 0.3 m (espectro UV); O3: < 0.3 m (espectro UV), 8-10 m.

    Devido a esta concentrao atmosfrica relativamente elevada, a principal contribuio para oefeito de aquecimento dada pelo CO2 (cerca de 50%). Certamente no podemos considerareste componente como nocivo ou txico, pelo contrrio, ele foi necessrio para gerar a vida.Ainda hoje ele a base da produo primria na cadeia alimentar (produz os acares e a bio-massa atravs da fotossntese). O dixido de carbono nocivo somente a uma concentraoigual ou maior que 5.000 ppm11, principalmente porque ele no um gs respirvel. Portanto,mesmo se o efeito do CO2 sobre a vida definitivamente benigno, uma maior concentraodeste gs no implica em maiores benefcios, antes pelo contrrio. Pode at parecer um poucoirnico, mas o perigo para o nosso planeta deriva das mesmas caractersticas que fazem comque este gs seja to importante para a vida: a sua capacidade de absorver calor sob a formade radiaes IR. Em 1896 Svante Arrhenius (1859-1927), um qumico suco, estimou que odobro da concentrao de dixido de carbono na atmosfera poderia levar a um aumento de 5 -6C na temperatura mdia. Eram os anos da Revoluo Industrial e Arrhenius, descrevendo assuas descobertas em um jornal, afirmou que o ser humano estava evaporando as suas minas decarvo no ar. Cada vez mais combustvel naquela poca principalmente carvo eranecessrio para que as mquinas trabalhassem mais rapidamente, aumentando a produo e,

    Figura 3.3. Grficos das variaes das concentraes de dixido de carbono de 1958 a 2003 (A) e de metano de 1990 a 2002 (B)em Mauna Loa, Hawaii, EUA (Climate Monitoring and Diagnostic Laboratory, National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA; EUA). Grfico da concentrao de dixido de carbono em 3 estaes italianas de 1979 a 2003 (C) (Green-Net, Italia).

    11 ppm: partes por milho; uma unidade de concentrao em volume ou peso que no includa no Sistema Internacional deMedidas (SI). Na prtica comum ele ainda utilizado pela sua convenincia, por exemplo: 1 ppm de CO2 igual a 1 cm

    3 de CO2 por 1

    21

  • 22

    possivelmente, o bem-estar. Junto a estes aspectos, a combusto extensiva de combustvel fs-sil deu origem ao contnuo aumento da concentrao de CO2 no ar.

    O fator chave para entender as futuras implicaes do efeito estufa em termos de aquecimen-to global e fenmenos a este relacionados, entender se e como o aumento da concentraono ar de gases responsveis pelo efeito estufa (em primeiro lugar o dixido de carbono) provo-ca um aumento da temperatura mdia. Precisamos conhecer todas as variveis envolvidas e assuas correlaes, a fim de utilizar corretamente os modelos e encontrar solues.

    Hoje em dia, dispomos de evidncias certas de que a concentrao de dixido de carbonoaumentou cerca de 25% nos ltimos 100 anos. A investigao mais ampla sobre este assuntocomeou no observatrio de Mauna Loa (Hawai) em 1958. Esta estao dirigida pelo CentroNacional de Pesquisa Atmosfrica (National Centre for Atmospheric Research - NCAR, USA;www.ncar.ucar.edu) ainda est recolhendo dados sobre muitos fatores relacionados smudanas climticas. A Figura 3.3. mostra dados sobre (A) a concentrao de CO2 de 1958 a2003 e (B) concentrao de metano (um outro gs responsvel pelo efeito estufa), de 1990 a2002. A Figura 3.3. mostra tambm dados sobre (C) a concentrao de CO2 (1979-2003) reco-lhidos pela rede nacional italiana de monitorao dos gases responsveis pelo efeito estufa,Green-Net (www.green-net.it). Apesar de algumas flutuaes anuais, os dados do NCARmostram claramente um aumento da concentrao passando de, aproximadamente, 315 ppm,em 1958, a 370 ppm, em 2003. Tais dados de Manua Loa coincidem com os dados da Green-Net. Alguns modelos computadorizados predizem que, no futuro, a concentrao de CO2crescer cada vez mais rapidamente.

    Um relatrio da National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA, USA;www.noaa.gov) informa que a temperatura mdia aumentou de +5C em algumas reas do globodurante o perodo 1950-1999 (Fig. 3.4). Algumas estimativas indicam que a temperatura mdiado nosso planeta aumentou de 0,6C desde 1880. No obstante estes dados, no temos acerteza absoluta que o aquecimento seja devido a maiores concentraes de CO2 e de outrosgases responsveis pelo efeito estufa de origem antrpica. De qualquer forma, temos algumasprovas experimentais de que o aquecimento dos ltimos anos parcialmente causado por taisgases. As estimativas reais nos dizem que Arrhenius errou por excesso, visto que o dobro da con-centrao de CO2 levaria a um aumento de 1.0 - 3.5C na temperatura mdia. Se tal aqueci-mento vai realmente acontecer ou no, depende principalmente das possveis medidas que ognero humano adotar no futuro. A cincia e, mais exatamente, a compreenso dos mecanis-mos de absoro das radiaes infravermelhas pelos gases responsveis pelo efeito estufa, nosajudam a encontrar solues adequadas para enfrentar esta ameaa (substituio, limitao dasemisses, etc.). Este o papel sciopoltico positivo da cincia.

    Figura 3.4. Variao das temperaturas mdias em diferentes reas do globo de 1950 a 1999 (Global Historical Climate Network,National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA, EUA).

  • 23

    3.4 O efeito estufa depende da estrutura molecular dos gases

    Em primeiro lugar precisamos entender porque o dixido de carbono (CO2), o vapor dgua(H2O), e o metano (CH4) so gases responsveis pelo efeito estufa, mesmo que os dois prin-cipais componentes do ar - nitrognio (N2) e oxignio (O2) no absorvam os IR. Tudodepende da estrutura tridimensional destas molculas (Fig. 3.5).

    3.4.1 A estrutura tridimensional das molculas

    A estrutura de Lewis das molculas baseada na chamada regra do octeto. Conforme estaregra, uma molcula estvel quando todos os seus tomos (exceto o hidrognio) so cir-

    cundados por quatro pares deeltrons externos, tanto ligadoscomo no ligados. No caso demolculas biatmicas, a estrutura deLewis identifica tambm a estruturatridimensional da molcula, quedeve, necessariamente ser linear,como nos casos do oxignio (O2) edo nitrognio (N2) (Fig. 3.5). Emmolculas com trs ou mais tomos,variaes em termos de geometriaespacial so possveis e a sua formapode ser prevista baseando-se naestrutura de Lewis. Nas molculas,alguns dos eltrons externos podemser envolvidos na formao de umaligao simples (Cl2), dupla (O2), outripla (N2). O fator chave para acompreenso da forma tridimen-sional das molculas a repulso

    entre os eltrons. um dado de fato que tanto os pares de eltrons ligados como os no li-gados (celibatrios) se repelem, uma vez que todos eles tm carga negativa. Por esta razo,os pares de eltrons se colocaro maior distncia possvel um do outro, conforme o compri-mento da ligao, minimizando assim a energia potencial (repulsiva).

    Baseando-nos no conceito de repulso e na estrutura de Lewis, ns podemos aplicar umsimples procedimento passo a passo para prever a forma tridimensional de uma molcula.Descreveremos tal procedimento aplicando-o ao metano (CH4). Em primeiro lugar, precisamossaber qual o nmero de eltrons externos de cada tomo. O carbono (C, nmero atmico 6,Grupo IV A da tabela peridica) tem quatro eltrons externos, portanto mais quatro sonecessrios para completar o octeto. Estes eltrons adicionais derivam dos tomos dehidrognio, os quais tem somente um eltron cada um (H, nmero atmico 1, Grupo I A). Osegundo passo ser desenhar a estrutura de Lewis do CH4 e a nica combinao possvel aquela com o tomo de carbono no centro, circundado pelos quatro tomos de hidrognio comligao simples (quatro pares de eltrons compartilhados) (Fig. 3.5). Como terceiro passo,temos que imaginar como pode ser a estrutura tridimensional da molcula, sem esquecer arepulso entre os pares de eltrons. Para minimizar a energia potencial, visto que todos os to-mos de carbono ligados so idnticos, todos os pares de eltrons estaro a distncia mximapermitida pelo comprimento da ligao. O mesmo acontecer com os tomos de hidrognio,visto que cada um deles ligado a um par de eltrons. A figura slida que permite tal com-

    Figura 3.5. Estrutura tridimensional e frmula de Lewis de alguns gases deefeito serra e outras molculas citadas no texto. Cores e dimenses so pura-mente indicativas : os eltrons so representados com a mesma cor dos to-mos de onde provm.

  • posio um tetraedro, uma pirmide triangular com o tomo de carbono no centro e os qua-tro tomos de hidrognio nos vrtices (Fig. 3.5), com os ngulos de cada ligao H-C-H medin-do 109,5. Tal forma foi experimentalmente demonstrada e comum a muitas molculas na-turais que contm carbono.

    O mesmo procedimento pode ser usado para estudar a molcula de triclorofluorometano(CFCl3), um gs responsvel pelo efeito estufa que pertence aos clorofluorocarbonos (CFC),gases tambm muito perigosos para a camada de oznio (vide Captulo 4). Usando o mesmoprocedimento, podemos ver que o flor (F) e o cloro (CI) tm sete eltrons externos, sendoambos halognios (Grupo VII A). Se cada tomo desses halognios partilha um eltron com ocarbono, a regra do octeto obedecida. A estrutura de Lewis ser parecida com a do CH4, como carbono no centro partilhando cada um dos seus quatro eltrons externos com um tomo dohalognio. O carbono ser circundado por quatro pares compartilhados (octeto), enquanto oflor e o cloro tero um par de eltrons compartilhado e trs pares no compartilhados cadaum (octeto). No caso do CFCl3 o tetraedro no perfeito, pois as ligaes C-Cl e C-F tm com-primentos diferentes (Fig. 3.5).

    Em algumas molculas o tomo central (estrutura de Lewis) pode ter alguns pares deeltrons no ligados. Neste caso a energia de repulso ainda maior do que a dos pares com-partilhados, visto que os pares celibatrios ocupam mais espao. Por exemplo, no caso daamnia (NH3, um outro gs responsvel pelo efeito estufa) a molcula no plana, tendo onitrognio no centro de um tringulo e os trs tomos de hidrognio nos ngulos. O par deeltrons no compartilhados do nitrognio repele os pares de eltrons de ligao abaixo doplano do nitrognio juntamente com os trs tomos de hidrognio das ligaes - e a molcu-la pode ser considerada um tetraedro onde o tomo do vrtice superior no presente e ocu-pado pelo par de eltrons no compartilhados. A maior repulso entre esses ltimos faz comque o ngulo de ligao H-N-H seja menor (107,5) do que no caso do metano. Mais exata-mente, a molcula de amnia tem a forma de uma pirmide triangular, com o nitrognio no vr-tice superior e com os tomos de hidrognio nos trs vrtices da base (Fig. 3.5).

    Um comportamento semelhante ocorre com a molcula de gua (H2O), na qual, para obe-decer a regra do octeto os dois tomos de hidrognio compartilham o seu nico eltron com ooxignio que apresenta seis eltrons na camada externa (Grupo VI A). Esta molcula podeainda ser vista como um tetraedro com o oxignio no centro, faltando dois tomos nos vrtices,mas apresentando no seu lugar os dois pares de eltrons no ligados. A repulso entre eles maior do que aquela do par solitrio da amnia e assim a molcula de gua tem a forma deum V com um ngulo de ligao H-O-H igual a 104,5 (Fig. 3.5).

    Com o dixido de carbono (CO2) as coisas so um pouco diferentes. Para obedecer a regrado octeto, os dois tomos de oxignio (3 pares de eltrons na ltima camada) devem com-partilhar dois eltrons com os dois pares do carbono, formando assim duas ligaes duplas.Uma vez que o carbono, neste caso, no apresenta pares de eltrons externos no comparti-lhados, a molcula linear e plana, com o tomo de carbono entre os dois tomos de oxignio(Fig. 3.5).

    At agora tratamos de ligaes covalentes, nas quais cada tomo compartilha um (ou dois)eltron(s) nos pares ligantes. O caso do oznio (outro gs-estufa) diferente. O oxignio central namolcula de oznio faz uma simples ligao dativa com um dos oxignios laterais (na estrutura deLewis do O3 da Fig. 3.5 corresponde ao tomo da esquerda), enquanto ele compartilha um outropar de eltrons para formar uma ligao covalente dupla (a direita na Fig. 3.5). Nas ligaes dati-vas o par de eltrons da ligao provm do mesmo tomo. Deste modo a regra do octeto obe-decida por todos os trs tomos de oxignio. Devido ao par de eltrons no compartilhados dooxignio central, analogamente gua, a molcula do oznio apresenta a forma de um V, com umngulo de ligao O-O-O de 117.

    24

  • 25

    3.4.2 Interaes entre a radiao infravermelha e as molculas

    Agora que temos uma idia mais clara de como reconhecer a forma tridimensional das molcu-las, podemos entender, por exemplo, como as molculas dos gases responsveis pelo efeito es-tufa, interagem com a radiao infravermelha.

    A radiao eletromagntica apresenta uma dupla natureza: ondulatria e corpuscular. Comoonda, ela formada por um campo eltrico e um campo magntico alternado oscilante em umplano perpendicular, em coincidncia de fase. Os seus principais parmetros caractersticos soo comprimento de onda (, medido em unidades de comprimento) e a freqncia (, medida ems-1). radiao eletromagntica associada uma energia (E, geralmente medida em Joule),relacionada com a freqncia atravs da equao E = h , onde h a constante de Planck(6.63 x 10-34 joule/s). Como o comprimentode onda inversamente proporcional fre-qncia, e essas duas variveis se rela-cionam atravs da equao = c -1 (onde c a velocidade da luz, 3 x 108 m/s), as ra-diaes com maior comprimento de onda,apresentam menor energia. Do ponto de vistada sua natureza corpuscular, a radiaoeletromagntica associada a partculaschamadas ftons, que so seus transporta-dores de energia. Os ftons podem ser con-siderados como os efetivos atuadores dainterao onda/matria. Ftons com difer-entes energias se distribuem em todo oespectro eletromagntico (raios-X, luz visvel,ondas de rdio, e assim por diante). Do quesabemos at hoje, os ftons tem massa zeroe viajam velocidade da luz no vcuo.Devemos enfatizar o fato que uma partculaportadora de uma especfica energia, umfton, pode ser produzida ou absorvidasomente por partculas que so afetadas poraquela fora em particular. Por exemplo,eltrons e prtons tem carga eltrica, portantoeles podem produzir e absorver ftons dasondas eletromagnticas.

    A teoria atmica considera a matria comofeita de grupos organizados de tomos emolculas, os quais, por sua vez, so feitos dencleos de carga positiva (devido presena de prtons - aqui no consideramos as partculassub nucleares) e eltrons de carga negativa que apresentam um movimento de rotao e giramem torno desses ncleos. Os eltrons esto em orbitais, os quais para os nossos objetivos podem ser considerados como a(s) poro (es) do espao que circundam o ncleo onde a prob-abilidade de encontrar os eltrons mxima, de acordo com o estado energtico dotomo/molcula. A cada orbital se associa um especfico nvel energtico e os eltrons ospreenchem, obedecendo algumas regras bem conhecidas, o chamado princpio de exclusode Pauli. Esse princpio foi enunciado pelo fsico Wolfgang Pauli (Vienna, 1900 Zurich, 1958)em 1925. Em palavras muito simples, esse princpio estabelece que a distribuio eletrnica emum tomo governada por quatro nmeros qunticos: m, n, l, e s. Um nico eltron pode ocu-

    3.6. Nveis energticos, salto qunticos e efeitos das interaesentre as radiaes eletromagnticas e as molculas (dixido decarbono usado como exemplo). N*: nvel de excitao. EF :estado fundamental.

  • 26

    par um estado quntico determinadopor uma e somente uma combinao dem, n, l, e s. Para os objetivos desta pub-licao, suficiente saber que para ocu-par o mesmo orbital, dois eltronsdevem ter ao menos o nmero de spin,s, diferente, o qual pode apresentar osvalores +1/2 ou 1/2, conforme adireo da rotao em torno ao eixo doeltron. Cada estado quntico assimcomo o orbital correspondente asso-ciado com um e somente um nvelenergtico.A configurao eletrnica associada aomenor nvel de energia chamada esta-do fundamental. Neste caso todos oseltrons esto localizados em orbitaisassociados ao menor nvel energtico,de acordo com o princpio de Pauli. Oestado fundamental define todas as pro-priedades fsico-qumicas de um elemen-to, inclusive aquelas que envolvem suaestrutura e reatividade. Estas regras seaplicam tambm s molculas, noimporta qual seja o seu grau de comple-xidade, desde simples molculasbiatmicas, como os gases oxignio ehidrognio, at macro molculas como oDNA. A diferena nestes casos quedevemos tratar de orbitais molecularesmuito mais complicados.

    Como j foi mencionado anteriormente,a interao entre a radiao eletromag-ntica e a matria ocorre atravs dosftons. Um tomo ou uma molculapodem absorver somente ftons que pos-suem uma especfica energia quntica,de modo que a sua configurao eletrni-ca possa passar a uma distribuio cor-respondente a um novo nvel energticopermitido para aquela molcula (saltoquntico). Os nveis energticos sodescontnuos e somente alguns delesso permitidos para uma molculaespecfica, de acordo com a sua estrutu-ra e configurao eletrnica, com o tipode ligaes que apresenta, e com a ra-diao incidente. Uma excitao molec-ular real se obtm quando um eltronexterno pode saltar para um orbital associado a um nvel energtico mais alto. Raios X, Y, e UV

    Figura 3.7. Espectro infravermelho do dixido de carbono. So indicadosos picos de absoro (mnimo de transmitncia) para os dois tipos devibrao da molcula: stretching tipo 2 (VS) e bending (VB).

    Figura 3.8. Interao entra as molculas de dixido de carbono e asradiaes infravermelho (IR) e microondas.

  • 27

    podem provocar este salto e tem energia suficiente at para romper as ligaes covalentes (porexemplo, no caso da formao de O2 a partir de O3 devido a absoro de radiao UV-B e UV-C).A luz visvel pode excitar algumas molculas, mas no pode romper ligaes. Raios IR no induzemuma excitao real da molcula, mas como discutiremos a seguir eles podem causar a vibraodas ligaes moleculares (Fig. 3.6). Alm de um excesso de energia, uma molcula excitada apre-senta propriedades fsico-qumicas peculiares (ngulos e comprimentos de ligao, potencial redox,etc.) que podem ser muito diferentes daquelas do seu estado fundamental. Como conseqncia asua reatividade pode ser fortemente alterada.

    Aps absorver a energia radiante transportada por ftons especficos, a molcula tende rapi-damente a retornar a nveis energticos inferiores. Este processo de relaxamento (relaxation )faz com que a molcula retorne ao nvel energtico mnimo permitido. O relaxamento pode ocor-rer de vrios modos. Por exemplo, para uma molcula A o relaxamento pode simplesmente fazercom que A retorne ao seu estado fundamental, ou pode provocar a formao de novas molcu-las, atravs de interaes A-A ou reagindo com outros tomos/molculas presentes no sistema.Quando a molcula simplesmente retorna ao seu estado fundamental, no sofre transformaesqumicas, e o excesso de energia dissipado em dois modos diversos: como energia no-ra-diante e/ou energia radiante. No primeiro caso, normalmente aumenta a energia cintica dasmolculas, causando colises mais freqentes entre as molculas, que deste modo aquecem osistema. No caso da dissipao radiante, so emitidas radiaes. Na formao de novas molcu-las, o excesso de energia usado na formao das ligaes qumicas.

    As molculas dissipam o excesso de energia atravs da emisso de radiao com compri-mentos de onda maiores em relao radiao incidente. Por exemplo, a absoro de um ftonpode fazer com que um eltron salte para um orbital com maior energia, sem passar atravsdos nveis energticos permitidos para a molcula. No seu retorno ao estado fundamental, oeltron passa atravs de todos os nveis intermedirios de menor energia emitindo ftons comenergia igual diferena de energia entre dois nveis sucessivos. Assim pode ocorrer que umamolcula absorva energia de um certo comprimento de onda e faa um salto quntico, mas noseu retorno ao estado fundamental emita duas ou mais radiaes com menor energia e maiorcomprimento de onda. Devemos ressaltar porm que a absoro da radiao um evento pro-babilstico. Outros fatores contribuem para determinar se e como uma molcula absorveruma radiao incidente potencialmente absorvvel.

    Como j dissemos, diferentemente das radiaes mais energticas (p.ex. UV), a radiaoinfravermelha no apresenta energia suficiente para romper as ligaes covalentes. Em todo ocaso, radiaes com comprimentos de onda/energia adequados podem induzir um salto qunti-co em uma molcula correspondente vibrao de uma ligao. Tais molculas podem ser iden-tificadas em funo do comprimento de onda da radiao IR que podem absorver, atravs dochamado espectro infravermelho das molculas (Fig. 3.7).

    Vamos usar novamente a molcula de dixido de carbono como exemplo. As duas ligaes cova-lentes C-O so elsticas e no podem ser consideradas como barras slidas que ligam os to-mos, mas podem ser assemelhadas a molas. Elas podem apresentar fenmenos de estiramento(stretching ), compresso (squeezing ) e toro (bending ), de modo que a absoro da energiatenha como consequncia vibraes das ligaes moleculares. So dois os tipos de vibraes dasligaes que so evidenciadas pelas radiaes IR : vibraes de streching e vibraes bending. Asvibraes de streching por sua vez so divididas em dois sub-tipos. No primeiro, o tomo de car-bono do CO2 permanece fixo, enquanto os dois tomos de oxignio se aproximam e se afastam dotomo de carbono sincronicamente, movendo-se em direes opostas em coincidncia de fase(chamaremos esse stretching de tipo 1, Fig. 3.8 A). No segundo caso o tomo de carbono e umdos tomos de oxignio se movem um em direo ao outro, enquanto o outro oxignio se afasta.Todos os movimentos so em linha reta, at que a fase e todos os movimentos se invertem (quechamaremos tipo 2, Fig. 3.8 B). Diversamente das vibraes de streching, naquelas de bending

  • 28

    os tomos no se movem ao longo da diretriz, mas saem do seu alinhamento. Cada movimento debending conta como duas vibraes, uma vez que pode ocorrer acima ou abaixo do plano da dire-triz. Neste caso temos dois sub-tipos similares: por exemplo, na molcula do CO2, no primeiro caso,os dois tomos de oxignio oscilam acima e abaixo do plano diretriz movendo-se na mesma direoperpendicular (Fig. 3.8 C), no segundo caso a direo oblqua (Fig. 3.8 D). Analogamente ao queocorre com um espiral, mais fcil curvar-se do que estirar-se ou comprimir-se e a energianecessria depende da natureza do movimento, da rigidez e do estiramento das ligaes e damassa dos tomos que se movem. Assim, diferentes energias e comprimentos de onda IR soenvolvidos: durante as vibraes bending, so absorvidas radiaes IR com = 15,000 m (baixaenergia), enquanto nas vibraes de streching so necessrias energias com comprimento de onda = 4,237 m (maior energia) (Figs. 3.7 e 3.8).

    Outro fator que devemos considerar a mudana na distribuio da carga eltrica (variao dedipolo) necessria a fim de que a molcula absorva radiao IR. Vamos discutir novamente aquesto do dixido de carbono sob este ponto de vista. O oxignio tende a deter os eltrons deligao mais intensamente do que o tomo de carbono, ou seja, o oxignio mais eletronegati-vo do que o carbono. Assim sendo, o carbono tem uma carga positiva parcial (+2) e cada tomode oxignio tem uma carga parcial negativa de (-): forma-se o tri-polo O--C+2O-. Namolcula de CO2 so permitidas somente vibraes de tipo 2, que so de streching. De fato, nasvibraes de tipo 1, devido a simetria da molcula, o movimento dos dois tomos de oxignio simetricamente oposto e assim no h variao de dipolo, isto , a distribuio resultante dacarga eltrica no varia.

    O espectro de absoro infravermelho tpico de cada molcula eles so tambm comumentechamados de impresses digitais infravermelhas ou de vibraes da molcula e podem ser reve-ladas usando um espectrmetro infravermelho. A radiao emitida por um filamento incandescente direcionada amostra a ser analisada contida em um recipiente transparente radiao IR e comuma espessura conhecida. Se a radiao IR que incide na amostra de comprimento de onda cor-reto (o analista pode vari-lo num intervalo previamente definido), ela provocar um salto qunticonas molculas da amostra correspondente s vibraes de ligao. Segundo a lei de Lambert-Beer,quanto mais molculas constituem a amostra, mais radiao absorvida (um valor chamadoabsorbance, A) e menor o nmero de ftons especficos que passam atravs da amostra eatingem o detector. Este um dispositivo do espectrofotmetro que nos diz quanta radiao (isto ,quantos ftons) atravessa a amostra (este valor chamado transmitncia, T).

    Podemos agora compreender como o dixido de carbono contribui para o efeito estufa.Interagindo com ftons particulares, as molculas de CO2 absorvem a energia IR da radiaosolar com comprimentos de onda especficos (direta e refletida). Suas molculas passam de umestado energtico a um nvel mais elevado e as ligaes vibram por um breve instante. Elasretornam ao estado fundamental emitindo radiao IR com comprimentos de onda maiores.Parte desta radiao emitida se dirige novamente em direo superfcie da terra que a absorveparcialmente e se aquece.

    O dixido de carbono e o vapor dgua (H2O absorve IR com = 2,5 m e = 6,5 m) so osprincipais gases estufa, mas qualquer molcula capaz de absorver IR , potencialmente, um gsestufa. Alguns exemplos so metano (CH4), xido nitroso (N2O), oznio (O3) e os clorofluorocar-bonos (CFC, como por exemplo CFCl3). Ao contrrio, as molculas de nitrognio (N2) e deoxignio (O2) no so gases estufa. As suas ligaes podem vibrar, mas como so molculassimtrica e eletricamente neutras (feitas de tomos iguais, e portanto, com a mesma eletrone-gatividade), a vibrao das suas ligaes no induz a variaes de dipolo e, assim, elas nopodem absorver radiaes infravermelhas.

    Uma ltima observao sobre as interaes matria/radiao diz respeito s microondas ( emtorno de 105 m). A sua menor energia em relao s radiaes UV e IR no permite a quebradas ligaes ou vibraes, mas suficiente para causar a rotao das molculas conforme com-

  • 29

    primentos de onda especficos (Fig. 3.8). Nos fornos de microondas comuns fixado um valorde suficiente para aumentar a velocidade de rotao das molculas de gua. A maior veloci-dade de rotao de tais molculas presentes nos alimentos cria um atrito que, por sua vez, pro-duz o calor que cozinha os alimentos. Este processo semelhante ao que ocorre quando nsesfregamos as mos durante dias muito frios, para poder aquec-las. Concluindo, as microon-das aquecem os alimentos com a gua contida nos prprios alimentos.

    As interaes matria/radiao eletromagntica so fundamentais para manter adequadascondies de vida no nosso planeta. Independentemente do tipo e do comprimento de onda daradiao, ocorre uma absoro quntica. Somente alguns comprimentos de onda especficospodem ser absorvidos por uma certa molcula. As interaes matria/radiao podem ser explo-radas para compreender a natureza e a concentrao de compostos (isto , atravs dos mto-dos espectromtricos)

    3.5 O dixido de carbono o principal gs responsvel pelo efeito estufa

    Primo Levi (Turin, 1919 - Turin, 1987) era um qumico e escritor italiano, que foi preso duran-te a Segunda Guerra Mundial como membro da resistncia anti-Fascista e deportado nocampo de concentrao de Auschwitz, em 1944. Aps ter sobrevivido quela experincia, noseu livro chamado A Tabela Peridica ele salientou que o dixido de carbono um dos princi-pais componentes dos seres vivos e um dos principais produtos da sua decomposio.Segundo Levi, em relao composio total do ar, este gs representa pouco mais quetraos, uma espcie de impureza. De qualquer forma, todo os seres vivos, incluindo os sereshumanos com a sua bagagem de histria, nobreza e vergonha tiveram a sua vida deriva-da desta forma de gs. Naquele livro Levi fala tambm sobre a histria do tomo de carbono,a partir do calcrio (CaCO3) at a molcula de CO2, da molcula de glicose (C6H12O6) de umafolha, at os tecidos do crebro do prprio autor. Aquele tomo tem uma histria milenar quevai continuar a viver para sempre.

    A continuidade da matria bem sintetizada por um conceito descrito no livro do I-Ching(conhecido tambm como o Livro das Mudanas), escrito na China cerca de 3.000 anos atrs:no nosso mundo nada se cria, nada se destri, mas tudo se transforma em algo diferente. Umateoria similar foi enunciada por Herclito (VI-V sculo A.C.), o filsofo grego do panta rei, tudoescorre (e evolui). Poderamos dizer que tais teorias filosficas so, de alguma forma, corre-tas em nvel atmico: os tomos evoluem e se transformam a partir da sua natureza originalem novas molculas inorgnicas e orgnicas e assim por diante, e depois novamente na suaforma precedente em infinitos ciclos13.

    O ciclo do carbono um exemplo fascinante do ciclo infinito da matria (Fig. 3.9). A cada anocerca de 215 bilhes de toneladas de carbono so removidos da atmosfera, pouco mais demetade (110 bilhes de toneladas) usada para processos fotossintticos e se transforma emacares, e s ento em biomassa vegetal e animal. A maior parte do resto se dissolve nosoceanos, onde se concentra biologicamente em estruturas de corais e em conchas de molus-cos, transformando-se enfim em minerais e rochas do fundo marinho. Desta maneira a super-fcie terrestre (calcrio), juntamente com os oceanos e as suas profundezas, representam umareserva muito rica de CO2. A concentrao desta molcula em diferentes compartimentos daecosfera est em um estado estacionrio, em um equilbrio dinmico, onde a mesma quanti-dade de CO2 removida e inserida nos vrios compartimentos, mantendo a concentrao totalconstante.

    Deste modo, parte do dixido de carbono liberado novamente na atmosfera. Plantas e ani-mais morrem e a sua biomassa decomposta por microorganismos em CO2 e em outras

    13 Existem algumas excees no pouco freqentes como reaes em nvel subatmico, fuso nuclear ou fisso, ou decaimentoespontneo de istopos radioativos.

  • 30

    molculas. Os seres vivos podem entrar na cadeia alimentar uma vez que eles so transfor-mados em CO2 e H2O e molculas de anabolismo (protenas, enzimas, etc.) e reservas deenergia (hidrocarbonetos complexos, gorduras, etc.). Animais e plantas exalam CO2, os car-bonatos das rochas podem liberar CO2 no ar devido a fatores atmosfricos (por exemplo chu-vas cidas). Alm disso, o dixido de carbono est presente nas emisses vulcnicas naturais.Parte do CO2 emitido na atmosfera ento reabsorvido e o ciclo continua e continua. Algunscientistas estimam que em mdia o tomo de carbono completou o seu ciclo em diferentescompartimentos da ecosfera cerca de 20 vezes desde que a Terra existe.

    Se o nosso planeta pudesse enfrentar somente a poluio natural que evoluiu com o nossoglobo certamente os mecanismos de feedback poderiam manter o estado estacionrio sus-tentvel. Porm o homem no um animal comum, mesmo se ele respira, come, produz res-duos metablicos, vive e morre como os animais. No obstante isto, ele no tem espciespredadoras ou em competio, e portanto pode se multiplicar como quiser, sem obedecer aregras da gentica ou da ecologia das populaes animais. Alm disso, ele no produz CO2somente pelo seu metabolismo e a decomposio dos seus tecidos, visto que desenvolveu ainteligncia e procura sempre o seu maior bem-estar. Infelizmente, existe um preo a se pagarpor isso: na busca de um desenvolvimento social e econmico rpido durante o ltimo sculo tirando vantagem da revoluo industrial o ser humano no se preocupou com o meio-ambiente e alterou vrios equilbrios naturais. As atividades antrpicas de hoje produzem CO2a uma taxa alta demais e o processo de feedback natural no consegue atingir um novo equi-lbrio. Assim sendo, este gs continua se acumulando na atmosfera juntamente com os outrosgases de origem humana responsveis pelo efeito estufa.

    Ns realizamos rpidos e macios processos de combusto, utilizando combustveis fsseisos quais acumularam componentes energticos de carbono atravs das eras. Os combustveisso queimados em uma atmosfera rica de oxignio, de modo que o carbono se combina como oxignio produzindo CO2 e outros produtos da combusto. A Revoluo Industrial, que serealizou na Europa no final do sculo XIX, foi sustentada pelo carvo usado pelas mquinas avapor em minas e indstrias, pelas mquinas a vapor das locomotivas e navios, e, enfim, pelosgeradores de eletricidade a partir de vapor. A descoberta do petrleo e dos seus derivados per-mitiram uma ampla difuso de veculos pequenos, como carros e caminhes. Alm da nossavida cotidiana, a Revoluo Industrial mudou completamente as fontes e os fluxos de energia.

    O aumento da produo de energia e o conseqente consumo de combustveis fsseis,determinaram um rpido aumento dos produtos combustveis liberados na atmosfera. O CO2 o principal destes componentes e a sua concentrao atmosfrica passou de 290 ppm em1860 a 370 ppm (aproximadamente) hoje em dia. A taxa de aumento da concentrao estcrescendo constantemente, sendo hoje de 1,5 ppm de CO2 por ano (Tab. 3.2). A cada ano, nsusamos uma quantidade de combustveis fsseis correspondente a cinco bilhes de toneladasde carbono. Segundo algumas estimativas da Sociedade Qumica Americana (ACS, 2000), amaior parte da produo de CO2 nos EUA devida a geradores de potncia (35%) e trans-porte (31%), seguida pelo uso industrial (21%), uso residencial (7%), e enfim uso comercial.

    O desmatamento com queimadas pode alterar significativamente o ciclo do carbono. Esteafeta a concentrao atmosfrica de CO2 de duas maneiras diferentes: remove um amplo su-midouro para o CO2 e acrescenta uma grande fonte de CO2 na atmosfera (atravs da queima-da depois do corte das rvores e/ou decomposio da biomassa vegetal residual). Emcondies naturais as florestas agem como pulmes para o planeta, elas usam CO2 para pro-duzir O2 e acares atravs da fotossntese e produzem CO2 devido a sua respirao. Aps adecomposio, o carbono dos seus tecidos entra no ciclo de carbono e possivelmente se adi-ciona s novas molculas de CO2. Este mecanismo contribui significativamente para manterconstante a concentrao de dixido de carbono na atmosfera, mas o desmatamento reduzdrasticamente a capacidade de fixao de CO2 atravs da fotossntese, resultando em um

  • claro aumento da sua concentrao. Uma superfcie florestal de 150.000 Km2 (aproximada-mente o equivalente metade da superfcie da Itlia) anualmente cortada ou pior ainda queimada. Se as rvores so queimadas, alm de perder a capacidade de fotossntese, muitodixido de carbono se forma com a combusto (1-2 bilhes de toneladas por ano). No caso docorte de rvores, se os restos orgnicos so deixados no local, a decomposio da biomassavegetal lentamente forma CO2. Mesmo substituindo as florestas com plantaes de trigo eusando a lenha para a construo, 80% do potencial fotossinttico perdido14.

    A quantidade total de carbono liberado na atmosfera pelas atividades humanas (pelos com-bustveis e pelo desmatamento) de cerca de 6 - 7 bilhes de toneladas por ano. Os oceanose a biosfera absorvem quase metade deste carbono e o resto fica na atmosfera como umaquantidade adicional (3 bilhes de toneladas por ano) e se une ao background natural (740 bi-lhes de toneladas por ano; Fig. 3.9).

    Em uma escala global, o dixido de carbono o poluente mais problemtico relacionado aoefeito estufa e ao aquecimento global. O excesso de carbono atmosfrico (veja acima) de 11bilhes de toneladas de CO2 por ano. Para entender os cenrios futuros, temos que saberquanto dixido de carbono produzido pelas atividades humanas a cada ano. Em relao aisso, os modelos computadorizados de previso podem ser de grande ajuda ( 3.2; Box 3.2).

    3.6 Outros gases responsveis pelo efeito estufa

    Estimativas recentes sugerem que cerca de metade do aquecimento global do planeta de-vido a outros gases responsveis pelo efeito estufa (GHG). Depois do CO2, o gs que maiscontribui ao efeito estufa o metano (CH4), cuja capacidade intrnseca de absoro de raiosinfravermelhos superior aquela do dixido de carbono. A concentrao atmosfrica demetano relativamente baixa, mas o seu valor atual de 1,7 ppm representa o dobro da con-centrao presente na era pr-industrial. Alm disso, um aumento de 1% ao ano foi detectadodesde 1979 (Tabs. 3.2 e 3.3; Fig. 3.3). Outros gases responsveis pelo efeito estufa, entre os

    Figura 3.9.Esquema simplificado do ciclo do carbono. Os fluxos so representados em toneladas de carbono.

    31

  • 32

    quais est em primeiro lugar o oznio (O3),contribuem em menor quantidade ao fen-meno (Fig. 3.10).

    Nem todos os GHG tem a mesma efi-cincia de absoro de IR e, como conse-qncia, no contribuem em igual medidaao aquecimento global do nosso planeta.Tal capacidade de absoro avaliadausando o Potencial de Aquecimento Global(Global Warming Potential - GWP), quecompara outros GHG com o CO2, ao qualfoi dado valor GWP = 1 (Tab. 3.3).

    3.6.1 Metano

    Segundo o Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), o metano (CH4) respon-svel por 17% do total do efeito de aquecimento global - (Fig. 3.10). Ele deriva de um grandenmero de fontes antrpicas e naturais. As fontes antrpicas so as principais responsveispela concentrao atmosfrica deste gs. O caso do metano o clssico caso de magnifi-cao antrpica, no sentido de que as atividades humanas contribuem acrescentar maisdeste gs na atmosfera, alterando o seu equilbrio.

    CH4 um gs natural normalmente presente no subsolo, liberando-se continuamente atravsdas fissuras nas rochas. A este background natural as atividades humanas acrescentam maisCH4 proveniente da explorao dos depsitos subterrneos e da refinao do petrleo. O metano um produto natural da decomposio de biomassas vegetais, porm, alm das reas nas quaiseste processo ocorre conforme os ciclos biogeoqumicos naturais, o homem acrescentou artifi-

    Tab. 3.3. Potencial de aquecimento global (GWP) e vida mdia, expressa em anos, de alguns gases responsveis pelo efeito estufa(GHG). Dados fornecidos pela Universidade de Urbino (2003), Sociedade Qumica Americana (2000), e Carassiti et al. (1995)*.

    GHG Frmula GWP Vida mdia GHG Formula GWG Vida mdiaCO2 1 50-200 HCFC-22 CHF2Cl 1780 14CH4 7 12 HCFC-141b CH3-CCl2F 713 7,1N2O 158 120 HCFC-142b CH3-CF2Cl 1850 17,8SF6 22450 stable HCFC-124 CHFCl-CF3 599 6CFC-11 CFCl3 4680 60 HFC-125 CHF2-CF3 3450 26CFC-12 CF2Cl2 10720 120 HCFC-152a CHF2-CH3 129 1,5CFC-113 CF2Cl-CFCl2 6039 90 HFC-134a CH2F-CF3 1400 14CFC-114 CF2Cl-CF2Cl 9860 200 HFC-143a CH3-CF3 440 40

    Figura 3.10. Contribuo dos diversos gases-estufa (ou de suas clas-ses) para aquecimento global do planeta (International Panel for Cli-mate Change, IPCC; 2001).

    Tab. 3.2. Variao da concentrao dos principais gases responsveis pelo efeito estufa a partir dos anos pr-industriais at o ano 1994(American Chemical Society, 2000).

    Gs responsvel pelo efeito estufa CO2 CH4 N2OConcentrao nos anos pr industriais 280 ppm 0,70 ppm 0,28 ppmConcentrao em 1994 358 ppm 1,7 ppm 0,31 ppmTaxa de aumento anual +1,5 ppm/ano +0,01 ppm/ano +0,0008 ppm/anoTempo mdio de vida na atmosfera 50-200 anos 12 anos 120 anos

    *: Unintroduzione alla chimica dellatmosfera em La Protezione dellAmbiente in Italia I. Bertini, R. Cipollini e P. Tundo Eds. Publicado pela Sociedade Qumica Italiana, Conselho Nacional de Pesquisas e Consrcio Inter-universitrio La Chimica per lAmbiente.

  • 33

    cialmente pontos nos quais o metano produzido em um processo natural, mas com maiorvelocidade. Bons exemplos so os aterros sanitrios e as reas desmatadas. Em alguns casoso gs natural produzido pelos aterros (landfills ) (uma mistura de metano e outros hidrocarbone-tos) recolhido em tubulaes e usado para o aquecimento de internos. De qualquer forma atos dias de hoje ele principalmente liberado na atmosfera atravs dos ventos. A agricultura ea zootecnia contribuem para a concentrao de metano na atmosfera, isto , com cultivaes decampos de gros e de criao intensiva (alto nmero de animais em um espao limitado) de bovi-nos, ovinos, ou espcies semelhantes. Estes ruminantes possuem bactrias simbiticas no seusistema digestivo complexo que so fundamentais para digerir a celulose presente na sua ali-mentao (principalmente pasto). O pasto degradado atravs de uma fermentao aerbica naestrutura digestiva chamada rumem e, alm da degradao da celulose em carboidratos maissimples, este processo produz metano, que liberado atravs dos orifcios do aparelho digesti-vo. Se ns considerarmos que um bovino pode produzir 500 litros de metano por dia, entende-remos que a quantidade global realmente significativa: algumas estimativas dizem que cercade 73 milhes de toneladas de metano por ano so produzidas por ruminantes no mundo inteiro!Do mesmo modo, as formigas trmitas tm uma bactria simbitica no seu intestino que as aju-dam a digerir a madeira e a produzir CH4. Para ter uma idia da magnitude do fenmeno, bastapensar que na Terra existem cerca de 500.000 trmitas para cada ser humano.

    Outras formas de emisso de metano na atmosfera so possveis. Por exemplo o aqueci-mento do planeta pode aumentar a liberao deste gs dos sedimentos ocenicos, dospaludes, torvas, e das reas geladas (permafrost). Nestas ltimas, habitat perenemente gela-do, uma quantidade significativa de metano permanece presa no gelo e um aumento da tem-peratura pode causar a liberao deste gs. Felizmente, a vida mdia do metano na atmos-fera relativamente curta (12 anos) se comparada com a vida mdia do dixido de carbono(50-200 anos) e de outros gases responsveis pelo efeito estufa (Tab. 3.2). CH4 rapidamenteconvertido em outras molculas menos perigosas, as quais iniciam outros ciclos de transfor-mao. De fato, a complexidade do estudo da contribuio deste gs ao aquecimento globalderiva das suas numerosas fontes e caminhos para a sua converso qumica.

    Nas prximas pginas nos vamos falar de outros gases responsveis pelo efeito estufa. Taisgases do uma menor contribuio ao aquecimento global, porm a maioria deles esto envolvi-dos tanto no efeito estufa quanto na destruio da camada de oznio da estratosfera.

    3.6.2 Oznio

    Nos cantos VII e XIV da Ilade e nos cantos XII e XIV da Odissia, o poeta grego antigoHomero (cerca 800 a.C.), descreveu o cheiro cido e o gosto cortante que tem o ar depois deuma tempestade. No final do seculo XVIII, o mesmo cheiro foi notado nas proximidades dealgumas mquinas eltricas. Acreditou-se que tal fenmeno fosse devido presena de ele-tricidade no ar. O termo oznio deriva do grego antigo ozein (cheiroso) e foi utilizado pelaprimeira vez para indicar este gs em 1840, por Christian F. Schnbein (1799-1868), um pro-fessor da Universidade da Basileia (Sua). Ele entendeu que este cheiro era devido pre-sena de um gs, formado pelas descargas eltricas no ar.

    A molcula de oznio (O3) foi isolada pela primeira vez somente h 40 anos atrs; portanto, estegs vem sendo estudado h relativamente pouco tempo. Hoje em dia, a literatura cientfica dedi-ca muita ateno a este gs pela sua relao com dois fenmenos relevantes: o aumento da con-centrao de oznio na troposfera e a diminuio da camada de oznio na estratosfera. Em umnvel estratosfrico, o O3 tem um papel fundamental no bloquear os raios UV-C em excesso (videCaptulo 4); em um nvel troposfrico ele um poluente perigoso para a sade e para o ambiente.O seu efeito irritante sobre o sistema respiratrio se manifesta a partir de concentraes15

  • 34

    > 0.1 ppm 214 g por m3. O oznio um dos principais componentes do nevoeiro foto-qumico e tambm um gs responsvel pelo efeito estufa. As leis europias estabelecem 180g/m3 como limite para a concentrao deste gs na atmosfera.

    Segundo o IPCC, o oznio, como um gs responsvel pelo efeito estufa, o terceiro con-tribuinte (13%) para o efeito de aquecimento global. Alm disso, o O3 o precursor da maiorparte das espcies qumicas oxidantes na atmosfera: OH- e NO3. Portanto, o oznio podeinfluenciar a vida mdia dos outros gases responsveis pelo efeito estufa presentes no ar,como o metano e os hidroclorofluorocarbonos (HCFC, vide 3.6.3), exercendo tambm umpapel indireto no efeito estufa.

    No fcil estimar a exata contribuio deste gs para o aquecimento global. O O3 no um poluente primrio (vide tambm 2.1), portanto no existem fontes diretas, sejam na-turais ou antrpicas. Este gs um tpico poluente secundrio que se forma no nvel daterra por uma srie de reaes fotoqumicas. Na estratosfera ele se forma atravs da inte-rao entre raios UV e a molcula de oxignio (O2; 4.2). Cerca de 10-15% do oznio tro-posfrico gerado na estratosfera. As reaes fotoqumicas de formao de O3 envolvemmolculas diferentes, como hidrocarbonetos e xidos de nitrognio (NOx), os quais soconsiderados como seus precursores. A correlao entre a concentrao deste ltimo e ado O3 apresenta inmeros aspectos e isto complica os estudos sobre a contribuio dooznio para o efeito estufa.

    O papel do O3 na absoro dos raios IR depende fortemente da altitude e da localizaogeogrfica. Algumas estimativas indicam que o efeito final da reduo da camada de oznioestratosfrico durante os ltimos 50 anos o resfriamento da superfcie do planeta. Em umnvel troposfrico a sua maior concentrao leva a um aquecimento.

    Graas ao desenvolvimento do mtodo analtico (Schnbein) usado para a quantificao dooznio na troposfera por volta de 1850, hoje em dia ns podemos tranquilamente comparar osvalores atuais com os valores do passado. Na Europa, o nvel de oznio na baixa troposferapermaneceu constante at 1950; desde ento e at os dias de hoje (2000) um aumento cons-tante foi observado (1% por ano). Atualmente, nas latitudes mdias, a concentrao de basedeste gs cerca de 0,03-0,07 ppm.

    3.6.3 Outros gases responsveis pelo efeito estufa

    O xido nitroso (N2O), tambm conhecido como gs hilariante, normalmente usado comoanestsico dental e em cirurgia geral. O xido nitroso tem origem principalmente em fontesnaturais (oceanos e solos), as quais do uma dupla contribuio se comparada com as fontesantropognicas. Em geral, N2O produzido por ao bacteriolgica como parte do ciclo donitrognio, pela nitrificao aerbica, na qual NH4 oxidado a NO2, liberando N2O. Ele tam-bm um produto da nitrificao anaerbica, na qual NO3 e NO2 so reduzidos a nitrogniomolecular (N2) e um subproduto de outros caminhos metablicos bacteriolgicos. Todavia, asemisses de xido nitroso antropognico esto aumentando e, como no caso do metano, estasso principalmente ligadas agricultura. N2O volatizado a partir de fertilizantes nitrogenados,como a amonaco, uria e nitrato de amnio. A converso em N2O particularmente alta parao amonaco anidrido, o qual mais barato e utilizado extensivamente. Por exemplo, estima-seque cerca de 5% do nitrognio presente nos fertilizantes usados nos campos nas proximidadesde Ontrio, Canad, convertido em N2O (cerca de 11% em NOx). A produo de N2O podeser acelerada em solos tropicais, como conseqncia do desmatamento. O N2O tambmproduzido pela combusto do carvo (de nitrognio orgnico), por alguns processos industri-ais e pela queima de biomassa.

    A concentrao de N2O atmosfrico vem aumentando cerca 12% desde o perodo pr-indus-trial a uma taxa de 0,25% ao ano na ltima dcada. Na atmosfera, este gs tem uma vida

  • 35

    mdia de 120 anos e o seu potencial de aquecimento global (GWP) muito maior que o doCO2 e do CH4 (Tabs. 3.2 e 3.3).

    Clorofluorocarbonos (CFC, conhecidos tambm como Freons) so componentes xenobiticos,os quais no eram presentes na natureza at que o homem no comeasse a produzi-los porvolta de 1930. Clorofluorocarbonos so raramente escritos com seus nomes oficiais conforme aIUPAC16, e so mais conhecidos pelos seus nomes comerciais. A nomenclatura dos CFC baseada em um cdigo de dois nmeros: o primeiro indica o nmero de tomos de carbono namolcula, o segundo indica o nmero de tomos de flor. Usando este sistema, o triclorofluo-rometano (CFCl3) chamado CFC -11, devido a presena de um tomo de fluor e de um tomode carbono. Do mesmo modo, diclorodifluorometano (CF2Cl2) chamado CFC -12, e assim pordiante. Atualmente, o uso de CFC proibido em todas as naes que assinaram o Protocolo deMontreal sobre as substncias que diminuem a camada de oznio (Montreal Protocol onSubstances that Deplete the Ozone Layer) (1987). Estes gases eram normalmente usados nosanos recentes como propulsores dos sprays, fludos refrigerantes (em refrigeradores e sistemasde ar condicionado), expansores e solventes. Alm de serem envolvidos na diminuio da cama-da de oznio, eles so potentes gases reponsveis pelo efeito estufa. So gases importantesporque bloqueiam na Terra as radiaes IR da janela atmosfrica: a regio de absoro doespectro entre 8 m e 11 m onde os raios IR geralmente no so absorvidos e podem fugir parao espao. Por exemplo, CFC -12 (CF2Cl2; Tab. 3.3) um potente gs responsvel pelo efeito est-ufa, visto que ele absorve tambm tais comprimentos de onda.

    Desde 1980, os componentes usados para substituir os CFC para preservar a camada deoznio so os hidroclorofluorocarbonos (HCFC) e os hidrofluorocarbonos (HFC). Estes so bas-tante seguros quanto ao oznio, porque contm menos cloro. Alm disso, a sua vida mdia naatmosfera menor que a dos CFC (Tab. 3.3). A produo de HCFC ser interrompida em 2020nos pases industrializados, visto que so gases fortemente responsveis pelo efeito estufa.

    Outros substitutos do CFC so os perfluorocarbonos (PFC), hidrocarbonetos nos quais todosos tomos de hidrognio so substitudos pelo fluor. Eles so eficientes gases responsveispelo efeito estufa, com um grau de GWP muito alto (de 7.000 a 12.000). Eles so usados comoalternativa aos CFC como refrigerantes e semicondutores, alm de ser subprodutos da me-talurgia do alumnio e do urnio.

    Um dos maiores GWP (>22.000; Tab. 3.3) pertence ao hexafluoreto de enxofre (SF6), umamolcula muito estvel na atmosfera. O SF6 usado como um isolante trmico e eltrico. Este gs presente em concentraes muito baixas, mas a sua taxa de aumento muito alta: 4,6% por ano.

    Coletivamente, CFC, HCFC, HFC, PFC, e SF6 so tambm chamados gases em traos,porque esto presentes em concentraes muito baixas na atmosfera (cerca de 10-8%). Noobstante isto, a sua contribuio coletiva ao aquecimento global significativa devido ao seuefeito total baseado em valores GWP altos (Tab. 3.3; Fig. 3.10).

    3.7 Alguns cenrios

    Hoje em dia, a influncia do impacto humano no aquecimento global do nosso planeta umaconvico compartilhada pela maior parte dos cientistas interessados no assunto. Todavia, acomplexidade da previso da evoluo deste fenmeno freqentemente gera desacordo sobrea sua real gravidade. Alguns exemplos de cenrios derivados de modelos so ilustrados naspginas seguintes.

    A primeira questo obviamente diz respeito aos gases responsveis pelo efeito estufa. A con-centrao atmosfrica total est aumentando de 1,5% por ano. Isto principalmente devido aum aumento da populao mundial e aos procedimentos da agricultura e da indstria moder-nas. A populao mundial triplicou durante o ltimo sculo e vai dobrar ou triplicar novamente

    16 IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry.

  • 36

    nos prximos 100 anos. A produo industrial 50 vezes mais alta do que o valor de 50 anosatrs e provavelmente vai decuplicar nos prximos 50 anos. A produo de energia aumentou23%, principalmente devido ao maior uso de combustveis fsseis. Isto provocou um aumentoda concentrao atmosfrica de CO2; tal valor poder duplicar entre os anos 2030-2050 comrelao ao ano de 1860. Todos estes fatores podero levar a um aumento da temperaturamdia global: os modelos de hoje falam de um aumento que vai de 1.0C a 3.5C.

    O cenrio do ano 2100 poder ser semelhante a situao do nosso planeta nos seus anosmais quentes de 130.000 anos atrs. A temperatura mdia global era de 16C, a calota de gelopolar era menor e o nvel mdio dos oceanos era maior (+5 m). Se algo deste gnero viessea acontecer no presente, vrias ilhas e pases como a Holanda e a maior parte do Bangladeshiriam submergir. Milhes de pessoas deveriam abandonar seus locais de origem. Uma situa-o ainda pior poderia derivar de uma ruptura da camada de gelo, o nvel do mar poderiacrescer ulteriormente (0.15 - 0.95 m) e algumas famosas cidades da costa como NovaIorque, Miami, Veneza e Bangkok poderiam estar em perigo.

    Um aumento da temperatura mdia poderia tambm ameaar a sade humana e animal. Oaquecimento poderia favorecer uma multiplicao mais rpida de agentes patognicos e, emconseqncia, uma mais rpida e ampla difuso de epidemias. Alm disso, uma temperaturamais alta poderia permitir a expanso da rea de distribuio de agentes patognicos atual-mente confinados em regies limitadas (por exemplo, agentes patognicos tropicais). Taldifuso poderia ser direta ou indireta, isto causada pela migrao dos vetores (isto , moscase mosquitos). Com um mecanismo deste tipo, por exemplo, a malria poderia se espalhar pelaEuropa e pelos Estados Unidos.

    Vamos agora fazer alguns exemplos especficos de cenrios limitados derivados da mo-delizao de previso computadorizada.

    Um aumento da temperatura mdia global faria diminuir a solubilidade dos gases na gua.Deste modo, oceanos e outras guas de superfcie liberariam mais dixido de carbono naatmosfera, desencadeando um crculo nocivo. Por outro lado, um aumento da temperaturafavoreceria uma multiplicao mais rpida e o desenvolvimento do fito plncton (inicia a fotos-sntese microscpica), levando a uma maior fixao do CO2 atravs da fotossntese. Um outroresultado tambm possvel: o aquecimento poderia alterar a circulao das massas de guasmarinhas juntamente com os nutrientes que elas carregam consigo (principalmente nitrognioe fsforo), resultando em um efeito negativo sobre o plncton.

    O aumento mdio global da temperatura levaria a uma contrao das reas glaciais das la-titudes extremas. Isto por sua vez, causaria uma reduo do albedo, diminuindo o reflexo (eaumentando a absoro) da radiao solar e levando a um ulterior aumento da temperatura,desencadeando novamente um crculo nocivo.

    O aquecimento poderia fazer com que as rvores vivessem em altitudes elevadas. Uma vez queelas realizariam uma fotossntese mais eficiente do que aquela dos musgos e liquens, o resultadofinal seria uma maior fonte de CO2. A temperatura mdia levaria contemporaneamente a um maiordesmatamento nas latitudes mais baixas, devido a diminuio das precipitaes e ao aumento daevaporao. Devido diminuio da capacidade fotossinttica, o efeito lquido global deste des-matamento/desertificao poderia no ser significativo ou negativo.

    O aquecimento poderia causar uma maior evaporao da gua presente no nvel do solo, eisto levaria a um aumento da umidade atmosfrica e o reforo do efeito estufa, pois o vapordgua um gs responsvel pelo efeito estufa. Tambm se formariam mais nuvens, as quaisparecem colaborar positivamente com o efeito estufa, enquanto as nuvens mais altas con-tribuem para a reflexo e a disperso da radiao solar. O efeito lquido global devido pre-sena de nuvens parece ser de aumentar a temperatura.

    Outro efeito de resfriamento poderia vir da presena dos aerossis atmosfricos. Estes sogeralmente formados por partculas muito pequenas de sulfato de amnio, (NH4)2SO4, que se

  • formam atravs de reaes dos compostos de nitrognio e dixido de enxofre (SO2) ambosemitidos por fontes naturais (vulces, etc.) e antrpicas (uso de combustveis fsseis, etc). Oefeito de resfriamento global se deve ao aumento da reflexo e da difuso da radiao solar.

    Alguns destes cenrios so realmente catastrficos, mas devemos considerar que tais even-tos potenciais poderiam ocorrer de modo gradual. Por enquanto ns ainda temos a possibili-dade de adotar possveis medidas de defesa, se polticas ambientais adequadas forem ado-tadas globalmente (monitorao e proteo).

    4 A destruio da ozonosfera

    Aozonosfera geralmente se localiza na estratosfera, entre 20 e 35 Km de altitude, mas pode alcanarat 50-55 Km e situar-se na estratosfera superior e na mesosfera. Nesta camada, o oxignio se con-centra na sua forma triatmica, o oznio (O3; vide tambm 3.6.2). O oznio se forma a partir dasmolculas de oxignio (O2) mediante a absoro de radiaes ultravioleta, impedindo assim a pas-sagem de quantidades excessivas desta radiao para a superfcie do nosso planeta. A absoro daradiao UV na ozonosfera faz com que nela se possam encontrar temperaturas mais altas do quenas camadas contguas.

    O bem conhecido buraco de oznio um fenmeno que ocorre na Antrtica. A cada ano, durantea primavera do hemisfrio Sul (Setembro-Novembro), a concentrao de oznio estratosfrico no cuda Antrtica diminui devido a flutuaes naturais. Analogamente a outros fenmenos j discutidos, estefenmeno apresenta uma amplificao antrpica. A partir de 1980, a reduo da concentrao deoznio a cada ano maior devido a alguns poluentes antrpicos. A mdia denominou este fenmenoburaco de oznio Antrtico devido menor concentrao de O3 encontrada na ozonosfera nesta rea.Em tempos recentes, um buraco de oznio menor foi descoberto no Plo Norte, no Mar rtico.

    4.1 O ciclo do oznio

    A maior parte do oznio (cerca de 90%) seforma a cerca de 30 km de altitude, acima doequador, onde se verifica a mxima irradiaosolar. Curiosamente, os raios UV podem cata-lisar tanto a formao quanto a destruio damolcula de oznio. Raios UV-C com < 242nm (vide tambm 1.2) podem dissociar O2 emoxignio atmico (O), o qual apresenta uma altareatividade. Na verdade, o oxignio atmico um radical17 cujo smbolo O. O O se com-bina rapidamente com o O2 resultando em O3.Na reao oposta, a radiao com 240 nm < < 340 nm (UV-A, UV-B, e alguns UV-C; videtambm 1.2), induz a fotlise18 do oznio,dividindo a molcula de O3 em O2 e O (Box4.1). A fotossntese do oznio em um nvel tro-posfrico (cerca de 10% do total) se realiza emmodo anlogo, mas a principal fonte do radicaloxignio o dixido de nitrognio, seguidapela formao de O3 conforme a equao a)descrita acima.

    Box 4.1. O ciclo natural do oznio

    Fotossntese do oznio:a) O2 + ( < 242 nm) 2 Oa) O + O2 O3

    Fotlise do oznio:b) O3 + (240 nm < < 340 nm) O + O2b) O + O3 2 O2

    Figura 4.1. Concentrao de oznio na estratosfera em unidadesDobson (DU).A: representao tridimensional do buraco de oznio na zona Antrtica(Goddard Space Flight Center, NASA; USA). A Amrica do Sul visvelcomo uma sombra no centro na parte superior da imagem.B: Concentrao de oznio no hemisfrio Norte em 1 de Setembro de2002 (World Meteorological Organization, United Nations SpecializedAgency). A Europa visvel no centro da parte inferior da imagem.

    37

    17 Uma espcie qumica com grande reatividade devido a presena de um (ou mais) eltron(s) celibatrio(s).18 Separao mediante a luz.

  • 38

    Tanto a fotossntese como a fotlise do oznio so catalisadas pelos raios UV, cujo comprimentode onda (e energia) especfico para uma reao ou para outra. A combinao destas duas reaesfotoqumicas leva a um equilbrio dinmico (estado estacionrio) que mantm constante a concen-trao de oznio e ao mesmo tempo permite filtrar a radiao UV em excesso, a qual absorvidadurante a reao. Estima-se que deste modo possam ser produzidas 4.000 toneladas de oznio emcada segundo de permanncia no ciclo do oznio, o que mantm o estado estacionrio. Parte dooznio transportada de latitudes equatoriais em direo aos plos pelos ventos estratosfricos, osquais enfim, fluem nos vrtices polares.

    Observaes a partir de satlites e da superfcie terrestre permitiram a determinao da dis-tribuio mdia do oznio conforme a latitude e a estao (Fig. 4.1 A, B). Em um nvel atmosfrico,o oznio comumente medido como a quantidade de gs presente na coluna atmosfrica comseo fixa que se estende do solo at o limite superior da atmosfera expresso em Unidades Dobson(DU)19.

    Nas latitudes tropicais, as flutuaes sazonais da concentrao de oznio variam de 250 a 300 DU;tal valor praticamente estvel, uma vez que a atividade fotoqumica devida a irradiao solar, que constante. Em outras latitudes se encontram grandes variaes, sendo que a maior concentraode O3 se encontra em latitudes mdio-altas. Diferenas longitudinais na concentrao de O3 so li-mitadas e devidas principalmente a alternncia dos mares e das terras. Alm disso, podem-se veri-ficar oscilaes naturais anuais significantes (at 40%) e eventos locais espordicos (por exemplo,erupes vulcnicas) podem causar variaes de at 10%. Variaes significativas podem tambmser causadas por fatores climticos locais.

    4.2 O decrscimo do oznio

    O decrscimo cclico do oznio da estratosfera fundamentalmente devido presena de muitos polu-entes do ar que degradam o O3 atravs de vrias reaes, as quais so favorecidas pelas condiesclimticas sazonais. Os poluentes envolvidos so geralmente estveis na atmosfera, mas so degrada-dos por especficas radiaes UV na estratosfera e liberam radicais de cloro e de bromo (Cl e Br), osquais so muito reativos com o oznio.

    Tais radicais halognios so principalmente de origem antrpica e derivam de clorofluorocarbonos(CFC) tambm conhecidos como freons e bromofluorocarbonos ou halons (os quais podem con-ter tambm cloro). Ambas estas classes de compostos incluem poderosos gases responsveis peloefeito estufa. Como j mencionado, os CFC so compostos do carbono que contm flor e cloro e queeram utilizados como propulsores e na refrigerao. Outras substncias envolvidas na emisso demolculas de halognios so os hidroclorofluorocarbonos (HCFC), derivados substitudos dos CFC,menos ativos na emisso de cloro, mas eficientes gases responsveis pelo efeito estufa. Os halonscomumente usados para extinguir incndios contm bromo o qual ainda mais reativo do que o clorona destruio do oznio. Felizmente, estes so menos difusos que os CFC e os HCFC e a sua con-centrao atmosfrica muito menor. Todas as substncias em alguma medida volteis que contmcloro e bromo, so potencialmente agentes que provocam a diminuio do oznio, por exemplo sol-

    19 A Unidade Dobson (DU), assim chamada em homenagem ao cientista G.M.B. Dobson (18891976), um pioneiro na pesquisa sobreo oznio da atmosfera, expressa o contedo total de oznio na coluna atmosfrica. A concentrao de oznio em Unidades Dobson a espessura, medida em centsimos de milmetro, que a coluna de oznio, com uma seo fixa que vai do solo at o alto daatmosfera, poderia ocupar a uma temperatura de 0C e a uma presso de 1 atm. Por exemplo, se a espessura deste filme de O3 fosse0,01 mm, poderamos dizer que temos uma concentrao de 1 DU. Este ltimo valor equivalente a cerca de 2.69 x 1016 molculasde oznio em uma coluna com uma seo transversal de 1 cm2 ou um volume de 5 x 109 m3 de O3 (0C; 1 atm). mais fcil expressar a concentrao de O3 em uma coluna atmosfrica porque o instrumento que mede a concentrao deoznio chamado espectrofotmetro Dobson. Tal instrumento funciona medindo a transmitncia da radiao solar de dois compri-mentos de onda absorvidas pelo oznio e comparando tais valores com a transmitncia de radiao de dois comprimentos deonda no absorvidos. A menor concentrao de oznio registrada foi de 85 Unidades Dobson, medida pelo Espectrmetro deMapeamento Total de Oznio (TOMS) de um satlite russo sobre a Antrtica, em 1993. Um balo que voou da estao de pesquisaamericana no Plo Sul mediu 90 Unidades Dobson no dia 6 de outubro de 1993.

  • 39

    ventes clorados como o metilcloroformio (ou 1,1,1-tricloroetano; CH3CCl3) e o tetracloreto de carbono(tetraclorometano, CCl4).

    O papel fundamental do Cl e do Br na formao dos buracos de oznio difusamente aceito, mesmoque a importncia relativa de tais halognios com relao a diminuio de O3 nas vrias regies daatmosfera ainda no tenha sido explicada de maneira clara.

    A presena de poluentes halogenados no ar altera o ciclo do oznio. A diminuio deste gs signi-ficativa durante o inverno do hemisfrio sul (Junho-Setembro), quando a irradiao solar menor e quan-do presente a ao de vrtices polares que isolam amplas massas de ar ricas de Cl e Br. Quando atemperatura desce at -80C, formam-se nuvens com alto contedo de cido ntrico gasoso (a partir deNO2): so as chamadas nuvens polares estratosfricas. Estas agem como um ambiente cataltico quepermite uma srie de reaes inusuais. Estas levam enfim, emisso de cloro (Cl2) e bromo (Br2) mo-leculares, a partir de poluentes halogenados passando atravs uma srie de reaes (vide Box. 4.2).Com o incio da primavera austral, a maior insolao dispersa as nuvens estratosfricas polares e a radia-o causa a diviso de Cl2 e Br2 em radicais monoatmicos. Estes iniciam as reaes em cadeia queterminam com a destruio do oznio. Os radicais agem eles mesmos como catalisadores e se combi-nam repetidamente com o oznio formando uma molcula de oxignio e uma de monxido de cloro (oubromo) (ClO ou BrO). Este ltimo reage com o radical do oxignio (derivado da fotlise de O2 ou O3)dando como resultado uma molcula de oxignio e um radical halognio, o qual, desde modo, se regen-era e recomea a reao. Deste modo poucos radicais halogenados podem levar destruio de muitasmolculas de oznio. A reao em cadeia da destruio do oznio se interrompe quando o Cl e Br

    reagem com compostos como o metano (CH4), o perxido de hidrognio (H2O2) ou o hidrognio mole-cular (H2), pois os radicais halogenados no se formam novamente e as reaes em cadeia se inter-rompem.

    So fatores fundamentais para a destruio do oznio: a presena dos vrtices polares, temperaturasbaixas que se formam dentro do vrtice levando a formao de nuvens estratosfricas polares, a aocataltica de tais nuvens que convertem as reservas de cloro e bromo inativos em formas mais ativas decloro e bromo, o retorno de uma maior irradiao solar que leva a formao de radicais halogenados ed origem ao ciclo de destruio do oznio.

    O buraco de oznio atualmente cobre uma rea um pouco maior que a Antrtica e se estende poraproximadamente 10 km de altitude na baixa estratosfera.

    4.3 Efeitos do buraco de oznio na sade humana e no ambiente

    O buraco de oznio no representa atualmente uma ameaa iminente sade humana, vistoque os seus principais efeitos se concentram em reas pouco habitadas.

    Os seres vivos expostos luz do sol geralmente utilizam sistemas de proteo para evitar aexcessiva irradiao, pois os raios UV podem causar danos ao DNA e ao RNA. A pele dealguns animais possui pigmentos que agem como barreira, ou tem um sistema muito eficientede restaurao do DNA; alguns at se escondem em zonas de sombra durante as horas demxima insolao. Todavia, tais mecanismos seriam insuficientes no caso de um ulteriordecrscimo da concentrao de oznio, o que comportaria um significativo aumento da radia-o UV.

    Um efeito indiscutvel da longa exposio radiao solar o envelhecimento precoce dapele devido a UV-A, UV-B e UV-C. Mesmo um bronzeado conquistado com cuidado mata asclulas da pele, danifica o DNA e causa mudanas permanentes no tecido conectivo da pele,o que com o passar da idade leva formao de rugas. Elevadas doses de luz UV podemprovocar danos aos olhos e em particular crnea, que tem alto grau de absoro de raiosUV. Elevadas doses de raios UV podem causar opacidades temporneas da crnea,chamadas cegueira da neve. Doses crnicas podem estar ligadas formao de cataratas.Por causa da maior insolao, uma maior incidncia de cataratas se encontra a grandes alti-

  • Os principais reservatrios de cloro so o cido clordrico (HCl) e o nitrato de cloro (ClONO2) que derivamda decomposio dos CFC. O pentxido de dinitrognio (N2O5) um reservatrio de xido de nitrognio(NOx) e tem tambm um papel importante nesta reao qumica especfica na atmosfera. O papel do cidontrico (HNO3) significativo porque mantm alto o nvel de cloro ativo (como se explica a seguir).Produo de cloro e bromo molecular.

    A principal caracterstica desta reao qumica inusual que as espcies reservatrios de cloro - HCl eClONO2 - (e as respectivas espcies de bromo) so convertidas em halognios moleculares:

    a) HCl + ClONO2 HNO3 + Cl2b) ClONO2 + H2O HNO3 + HClOc) HCl + HOCl H2O + Cl2d) N2O5 + HCl HNO3 + ClONOe) N2O5 + H2O 2 HNO3

    O cido ntrico (HNO3) formado nestas reaes permanece nas nuvens estratosfricas polares, de modoque a concentrao da fase gasosa dos xidos de nitrognio (NOx) reduzida. Este fenmeno, chamadodenoxificao, muito importante porque diminui a taxa de remoo de ClO, a qual em caso contrrio ocor-reria por reao com NO2, resultando em ClONO2. Este contribui para manter alto o nvel de cloro ativo.

    Retorno da luz do sol e destruio cataltica do oznio.A destruio da molcula de oznio causada pelos radicais de cloro e bromo. Graas ao efeito catalticodas nuvens estratosfricas polares, durante a primavera do hemisfrio sul as formas reservatrios das esp-cies que destroem o oznio, cloro e bromo, so convertidas em formas reativas radicais. Em primeiro lugar,o halognio molecular sofre fotlise (a radiao solar representada pela sua energia, h):

    Cl2 + h 2 ClBr2 + h 2 Br

    As reaes em cadeia que destroem o oznio podem ento comear. A produo de cloro ativo requer luzsolar, e a luz solar possivelmente conduz aos dois ciclos catalticos seguintes:

    (I) ClO + ClO + M Cl2O2 + MCl2O2 + h Cl + ClO2ClO2 + M Cl + O2 + M2 (Cl + O3) 2 (ClO + O2)

    Resultado: 2 O3 3 O2

    Onde M uma molcula atmosfrica ajudante, com uma forma de efeito cataltico.Reaes semelhantes ocorrem para o bromo.

    (II) ClO + BrO Br + Cl + O2Cl + O3 ClO + O2Br + O3 BrO + O2

    Resultado: 2 O3 3 O2

    O dmero do radical de monxido de cloro (Cl2O2) envolvido no ciclo (I) termicamente instvel, de modoque estas reaes podem ocorrer de maneira eficiente a baixas temperaturas. por este motivo que as tem-peraturas baixas do vrtex polar so fundamentais. Acredita-se que o ciclo (I) seja responsvel pela maiorparte da perda de oznio na Antrtica (70%). Na regio rtica, mais quente, uma grande quantidade deoznio pode ser destruda pelo ciclo (II).

    Reaes em cadeia da destruio do oznio nos plos envolvendo poluentes clorados e bromados.

    40

  • 41

    tudes, em pases como o Tibete e a Bolvia, e em baixas altitudes, nas proximidades doequador.

    Em geral, os raios UV-A so os menos nocivos, mas podem contribuir ao envelhecimento dapele, provocar danos ao DNA e at mesmo cncer de pele. Tais raios penetram profundamentena pele sem causar queimaduras do sol. Elevadas intensidades de luz UV-B so perigosas paraos olhos e a exposio pode causar fotoqueratite (queratite UV). A luz UV-B em particular foi iden-tificada como ligada aos tumores da pele como o melanoma. Os raios UV-C so os tipos de radia-o ultravioleta mais energticos e perigosos. No passado, dedicou-se pouca ateno aos raiosUV-C, pois estes so normalmente filtrados pela camada de oznio e no atingem a Terra.Todavia, a diminuio da espessura e os buracos da camada de oznio esto causando umamaior preocupao sobre o potencial dano causado pela exposio luz UV-C.

    As molculas de DNA e RNA absorvem radiaes UV-B que podem romper as ligaes nassuas cadeias. A radiao ioniza as molculas de DNA das clulas da pele, causando a for-mao de ligaes entre as bases adjacentes timinas, formando dmeros timidina. Este ltimonormalmente no uma base-pair e pode causar distores na hlice do DNA, replicaoretardada, interrupes e incorporaes erradas, que podem conduzir a mutaes e resultarem tumores. As pessoas de pele clara correm maior risco de cncer de pele. Uma diminuiode 1% na camada de oznio causaria um aumento estimado em 2% da radiao UV-B queatinge o solo, resultando possivelmente em um aumento mdio de 5% nos carcinomas. Amaior parte dos carcinomas de pele (90%) atribuda exposio UV-B. Raros tumores depele so fatais, mas o mais perigoso entre eles o melanoma maligno. possvel que existauma correlao entre exposies breves e muito intensas aos raios UV e a eventual apariode melanomas (mesmo depois de 10-20 anos).

    Um outro efeito negativo na sade humana a imunodeficincia, uma alterao do sistemaimunolgico (produo de anticorpos e clulas imunolgicas) que resultam em uma maior vul-nerabilidade s doenas.

    Para evitar uma excessiva radiao UV aconselhvel proteger os olhos e a pele, especial-mente em latitudes equatoriais, onde se encontra a insolao mxima. Por outro lado, corretasdoses de UV tm um efeito positivo: estas induzem a produo de vitamina D na pele e algunsespecialistas acreditam que muitas mortes prematuras por cncer so devidas a uma insuficienteexposio aos raios UV-B (aparentemente por causa de uma carncia de vitamina D).

    Um mtodo que os cientistas usam para analisar quantidades perigosas de raios UV-B expor amostras de DNA luz e ento contar o nmero de interrupes no DNA. Usando esteprocedimento, alguns cientistas americanos observaram que doses significativas de radiaosolar podem penetrar at 2,5 metros em guas ocenicas no turbulentas.

    Do ponto de vista ambiental, os raios UV podem provocar danos em seres e plantas ma-rinhas microscpicas. A penetrao de maiores quantidades de luz UV-B causou grande preo-cupao sobre a sade do plncton que povoa densamente a superfcie das guas marinhas.Como reao a um aumento da radiao solar, o mecanismo de defesa natural da maioria dasclulas que contm clorofila produzir mais pigmentos que absorvem a luz, mas esta reaono provocada pela radiao UV-B. Uma outra resposta possvel do plncton descer anveis mais profundos, mas isto reduz a quantidade de luz visvel que eles precisam para afotossntese, reduzindo ento a sua taxa de crescimento e reproduo. Em outras palavras, aquantidade de alimento e de oxignio produzidas pelo plncton poderia se reduzir pela exces-siva exposio aos raios UV, sem matar organismos individualmente. Os nveis da radiaoUV so 1.000 vezes mais altos no equador do que nas regies polares; presume-se ento quea vida marinha no equador est muito mais adaptada a doses mais altas de UV do que osorganismos nas regies polares. A preocupao atual dos bilogos marinhos principalmenteendereada ao mais sensvel fito plncton Antrtico, o qual normalmente receberia pequenasquantidades de raios UV, uma vez que estas plantas microscpicas esto na base da cadeia

  • 42

    alimentar marinha local. Durante a nica inspeo de larga escala at hoje realizada no fitoplncton da Antrtica, foi detectada uma queda de 6-12% na produtividade de fito plncton noperodo de mximo efeito do buraco de oznio (cerca de 10-12 semanas), com uma perda totalde 2-4%, o que uma variao significativa, mas ainda no dramtica. Alm disso, algumasespcies podem ser mais sensveis e os atuais nveis de radiao UV podem estar prximosde um nvel nocivo. Deste modo, mesmo em caso de um aumento limitado da radiao UV,poderia ocorrer uma diminuio na variedade e na abundncia de espcies do fictoplncton,causando alteraes em toda a comunidade marinha.

    As plantas superiores tambm so sensveis aos raios UV-B. Como regra geral, a excessivairradiao causa a reduo das superfcies das folhas das plantas, que a rea onde a luz capturada para realizar a fotossntese. Normalmente, durante experincias de radiaopodem ser detectadas uma degradao e uma diminuio geral das dimenses. De qualquerforma, at hoje nem todos os ecossistemas foram estudados. Os pesquisadores se concen-traram em florestas temperadas, gramneas, tundra, alpes e reas agrcolas. Os resultados emgeral no so encorajadores: uma das estimativas mostra que uma diminuio de 25% da con-centrao de oznio pode causar uma perda correspondente em algumas plantaes de soja.De qualquer forma, encontra-se uma grande variabilidade e as espcies selvagens normal-mente so mais resistentes do que as respectivas espcies agrcolas. Em um outro estudo,mais de 200 plantas agrcolas foram testadas e mais da metade mostrou sensibilidade luzUV-B. Outras mostraram efeitos insignificantes ou at mesmo um pequeno aumento no vigor.Mesmo dentro de uma mesma espcie foi encontrada uma significativa variabilidade: isto ,uma variedade de sementes de soja mostrou uma diminuio de 16% no crescimento, enquan-to uma outra variedade no mostrou nenhum efeito. Segundo estes resultados, um aumentoda radiao UV-B poderia causar uma variao na populao ao invs de uma grande mortedas plantas.

    Um aumento dos raios UV-B far com que maiores quantidades de oznio sejam produzidasem camadas baixas da atmosfera. Devemos ter em mente que o oznio da troposfera umpoluente nocivo e que um dos principais componentes do nevoeiro fotoqumico ( 3.6.2).Enquanto alguns cientistas aclamam que a proteo dos raios UV oferecidas por este escudocontra a poluio, algumas plantas so muito sensveis aos danos provocados pelo nevoeirofotoqumico.

    4.4 Conexes entre o decrscimo do oznio e o efeito estufa

    Lendo este captulo, voc deve ter entendido que existem freqentes ligaes e interconexes entrea diminuio da camada de oznio e o efeito estufa. Estes so bons exemplos do que significa amudana climtica global. Este um fenmeno que ocorre no mundo inteiro devido a muitos fatoresque freqentemente mostram interconexes que devem ser consideradas no seu todo, aumentandoa complexidade do fenmeno ( 3.2). Por motivos de brevidade e simplicidade, preferimos no abor-dar outros aspectos que podem ser correlacionados s mudanas climticas, como chuvas cidas esmog fotoqumico, dando somente breves informaes sobre estes fenmenos. Nesta ltima partesobre o oznio, vamos salientar as diferenas e semelhanas mais evidentes entre o decrscimo dooznio e o efeito estufa. Esta claramente uma simplificao extrema e como tal deve ser consider-ada, mas mesmo assim acreditamos que seja um instrumento vlido para enfrentar alguns aspectosfundamentais da questo (Tab. 4.1).

  • 43

    5 Perspectivas futuras

    oportuno salientar mais uma vez que o efeito estufa nasceu com a presena dos gasesatmosfricos, uma vez que alguns destes (isto , CO2, CH4, e H2O) absorvem e emitem radia-es infravermelhas. O efeito estufa em si no um evento negativo; ao contrrio, um fen-meno necessrio para manter condies de vida adequadas na Terra, como por exemplo umatemperatura idnea. Segundo a Sociedade Qumica Americana, a maior preocupao doscientistas o nmero crescente de provas de um aumento significativo da temperatura mdiado planeta e de que possvel que tal aumento seja, ao menos parcialmente, devido ao con-tnuo crescimento das emisses antrpicas de gases responsveis pelo efeito estufa (GHG).

    5.1 Fatos sobre o efeito estufa

    No existe ainda uma prova definitiva de que o aquecimento global (parcialmente) devido excessiva emisso de GHG, mesmo que atualmente os cientistas acreditem que isto seja ver-dade.

    Sabemos com certeza que uma maior concentrao de dixido de carbono na atmosfera con-tribui para aumentar a sua temperatura mdia. Existem vrias provas que confirmam a ao deum mecanismo de absoro e de emisso de radiao infravermelha pelos GHG, como porexemplo as atuais temperaturas da Terra e de Vnus.

    Dados analticos provam que a concentrao de CO2 vem aumentando desde 1860. Emrelao a este fato, existem indicaes confiveis de que as atividades humanas, como o uso decombustveis fsseis e o desmatamento, contriburam para aumentar a concentrao de CO2.

    Tab. 4.1. Interconexes entre o efeito estufa e a diminuio da ozonosfera.

    Camada atmosfrica envolvida Mainly troposphere. Stratosphere.Gases envolvidos Gas serra (CO2, H2O, CH4, N2O, O2 stratospheric, O3, N0x and HNO3

    CFC, HCFC); in minor misura O3 CFCs (freons), HCFCs, bromo-fluoro-a livello troposferico. carbons (halons).

    Radiao envolvida IR, absorbed by the atmosphere UV which degrades halogenated and partially re-emitted towards atmospheric gases, finally resulting in

    e Earth. a release of Cl and Br which initiate O3-depletion chain reactions.

    Natureza do problema The increase of the atmospheric The diminished ozone concentration concentration of the greenhouse is causing an increase in UV radiationgases is very probably contributing eaching the terrestrial surface. Due to

    to the global warming of our planet a lower O3 concentration, UV-C may

    some manner. reach the terrestrial surface.Causas principais Excessive emission of CO2 due to the Emission of chlorofluorocarbons and

    use of fossil fuels and deforestation; bromofluorocarbons from spray cans, increased CH4 emission from. and refrigerating systems, foaming

    agricultural and zoo technical practices. agents, and solvents: they finally release Cl and Br which deplete O3.

    Possveis conseqncias Global warming with climate changes Increased number of cases of skin and alteration of crop productions. cancer, damage to phytoplanktonPartial melting of polar caps and and subsequent dystrophy in seasconsequent increased average level and oceans.

    of seas and oceans.Possveis solues Reduce use of fossil fuels; limit or Substitute CFCs and other ozone-

    terminate the deforestation. depleting molecules with eco-compa-tible compounds.

    Efeito estufaPrincipalmente troposfera.Gases responsveis pelo efeito estufa:CO2, H2O, CH4, N2O, CFC, HCFC,HFC, PFC, SF6, e O3 troposfrico.IR, absorvido pela atmosfera e parcial-mente reemitido em direo Terra

    .O aumento da concentrao atmosfri-ca de gases responsveis pelo efeitoestufa muito provavelmente contribui aoaquecimento global do nosso planeta.

    A excessiva emisso de CO2devida ao uso de combustveis fsseise desmatamento; o aumento das emis-ses de CH4 por prticas agrcolas ezootcnicas.O aquecimento global com asmudanas climticas e alterao daproduo de gros. Parcial derretimen-to da calota polar e conseqenteaumento mdio do nvel dos mares eoceanos.Reduo do uso dos combustveis fs-seis; no continuar ou cessar o desma-tamento.

    Diminuio da ozonosferaEstratosfera.O2, O3 estratosfrico, NOx e HNO3,CFC (freons), HCFC, bromo-fluorocar-bonos (halons).UV que degrada em gases atmosfri-cos halogenados, resultando na emis-so de Cl e Br que iniciam as reaesem cadeia de diminuio de O3.A diminuio da concentrao de oz-nio est causando um aumento daradiao UV que atinge a superfcie ter-restre. Devido a uma baixa concen-trao de O3, UV-C pode atingir asuperfcie terrestre.Emisso de clorofluorocarbonos e bro-mofluorocarbonos de embalagensspray, sistemas de refrigerao, agen-tes espumantes e solventes: estes libe-ram Cl e Br, os quais destrem O3.Aumento do nmero de casos de tumo-res de pele, danos ao fictoplncton econseqente distrofia nos mares eoceanos.

    Substituir CFC e outras molculas quedestroem o oznio com compostos eco-compatveis.

  • 44

    Existe uma quantidade considervel de dados experimentais que mostram que como no casoda concentrao de CO2 a mdia da temperatura do planeta vem aumentando desde 1860.Podemos nos basear na anlise de testemunhos de gelo, na modelizao computadorizada, nosanis de crescimento das rvores, na taxa de crescimento dos corais, e assim por diante. Todasestas evidncias levam concluso de que houve um aumento mdio da temperatura de0,50,2C durante o ltimo sculo, o que o caracteriza como o sculo mais quente desde 1400.

    muito provvel que o dixido de carbono, juntamente com outros GHG de origem antrpica,tenha contribudo para o aumento mdio da temperatura no ltimo sculo. Vrias provas cient-ficas sustentam esta hiptese, mesmo que estas ainda no constituam uma prova definitiva.

    Uma vez que os fatos recm descritos no so 100% provados, no possvel afirmar que atemperatura do nosso planeta vai continuar aumentando no futuro por causa das excessivasemisses antrpicas de GHG. A incerteza pode ser atribuda, entre outros fatores, complexi-dade de todos os fenmenos relacionados ao processo de aquecimento global e s suas inter-conexes e ao fato que a aplicao dos modelos de escala global ainda no 100% confivel.

    5.2 O Protocolo de Kyoto

    Apesar da incerteza sobre os cenrios futuros relativos ao aquecimento global, os dadoscientficos disponveis levaram a ratificao, pela maioria das naes do mundo, do assimchamado protocolo de Kyoto. Em dezembro de 1997, mais de 160 pases colaboraram paraa realizao de um programa quetem como objetivo a reduoanual das emisses de gasesresponsveis pelo efeito estufapor pases industrializados e porpases em via de desenvolvimen-to, programa que dever ser com-pletado no quadrinio 2008-2012.Durante a Conferncia deMarraqueche (novembro de2001), o protocolo foi assinadopelos primeiros 40 pases. Atnovembro de 2003, um total de120 naes j o assinara. O pro-tocolo agora compulsrio vistoque, com a ratificao da Rssiaem outubro de 2004, foram satis-feitas todas as condies previstas para a sua real aplicao: a ratificao por ao menos 55pases produtores de ao menos 55% das emisses dos gases responsveis pelo efeito estu-fa. Entre os pases industrializados, os EUA e a Austrlia ainda no o ratificaram.

    Um recente relatrio detalhado sobre o estado das emisses de gases responsveis peloefeito estufa na Europa, em relao a quanto previsto no protocolo, foi publicado em dezem-bro de 2003 pela Agncia Europia do Ambiente (European Environmental Agency - EEA).

    Segundo a EEA, em geral os pases europeus esto atrasados para atingir os objetivos esta-belecidos para a Europa pelo protocolo de Kyoto: reduo, at 2012, de 8% das emisses deGHG em relao aos valores de 1990. Dez pases europeus provavelmente no vo atingir osobjetivos nacionais a menos que sejam introduzidas novas polticas de reduo. Infelizmente,parece improvvel que tanto as polticas locais como as da comunidade europia faam con quese atinja o objetivo programado dentro do prazo estabelecido (Fig. 5.1). Com as medidas at hojeadotadas, prevista uma baixa reduo total de 0,5% at 2010. Esta a razo pela qual muitas

    Figura 5.1. Emisses mdias de dixido de carbono e outros gases estufa na Europaem 2003 e valores dos objetivos do protocolo de Kyoto para a Europa. Os valores de1990 so indicados como ndice com valor 100, e solicitado Europa uma reduototal de 8% at 2008-2012 (valor ndice 92). (European Environmental Agency, EEA,2003).

  • 45

    diretrizes da Comisso Europia estabelecem novas regras ligadas reduo das emisses,com o objetivo de atingir uma reduo final coletiva de 5.1%. Entre estas medidas esto o acor-do comercial sobre os GHG, os incentivos a favor do uso de fontes renovveis para a produode energia e para a produo combinada energia/calor, a diminuio do consumo de energia emgrandes edifcios residenciais e indstrias, o uso de aparelhos eletrodomsticos a baixo consumode energia. Outras medidas incluem a adoo de biocombustveis (por exemplo gases naturais)para o transporte pblico, a reduo das emisses de dixido de carbono dos veculos a motor,a reduo de aterros sanitrios a favor de resduos biodegradveis, a recuperao e o uso degases naturais (por exemplo o metano) produzidos pelos aterros, a diminuio geral do uso eproduo de gases halogenados (CFC, HCFC, etc). O objetivo dos governos da Unio Europia explorar ao mximo possvel a flexibilidade do protocolo de Kyoto e, em alguns casos, intro-duzir mtodos para a remoo ativa do carbono atmosfrico.

    5.2.1 Os objetivos europeus do Protocolo de Kyoto

    O objetivo final do protocolo de Kyoto contribuir significativamente para atingir uma emisso sus-tentvel de GHG no mundo inteiro. Isto significa proteo do ambiente e preservao do clima, emum modo compatvel com o desenvolvimento scioeconmico. Tal objetivo muito ambicioso epoder ser atingido somente mediante uma reduo de 50-70% das emisses de GHG.

    Nesta tica, o protocolo somente o primeiro passo na direo desse objetivo, atravs deuma reduo parcial e gradual das emisses dos seis GHG: CO2, CH4, HCFC, PFC, N2O eSF6. Todos os membros da Unio Europia ratificaram o protocolo de Kyoto, o qual, como jfoi dito, prev uma reduo total de 8% at 2012. Aps a ratificao do tratado, os estadosmembros assinaram um acordo sobre valores nacionais de burden-sharing (diviso de quo-tas), com porcentagens que variam conforme a situao scioeconmica e a real possibilidadede reduo de cada membro. Aos novos membros foi tambm solicitada uma reduo de 8%,com exceo da Polnia e da Hungria, para os quais o objetivo 6%, visto que nestes pasesas emisses vm diminuindo desde 2001. Com a nica exceo da Eslovnia, parece prov-vel que os novos membros possam atingir o objetivo at mesmo antes do prazo estabelecido.Para os 15 membros mais antigos da Unio Europia, em 2001 as emisses foram reduzidassomente de 2,3% com respeito aos valores de 1990. Conforme as previses, somente cincoentre estas naes conseguiro atingir os seus prprios objetivos graas s polticas climti-cas nacionais (Frana, Alemanha, Luxemburgo, Sucia, e Reino Unido); os outros pases pare-cem destinados a falir se novas e adicionais polticas climticas no forem introduzidas, coma Irlanda, Portugal e Espanha atingindo os piores resultados.

    Conforme a EEA, em 2001 a contribuio percentual das emisses de GHG pelos diferentessetores econmicos foi de:

    28% pela produo de energia (incluindo centrais eltricas e refinarias de petrleo, as quaisemitem principalmente CO2); 21% pelos veculos a motor e transporte rodovirio (principalmente produo de CO2 e NOx; SOX); 20% pela indstria (CO2, NOx e gases fluoretados); 10% pela agricultura (CH4 de bovdeos, NOx de fertilizantes); o resto deriva do uso residencial (uso de combustveis fsseis para centrais de aquecimento, etc.).

    De 1990 a 2001, as emisses diminuram com a nica exceo do setor dos transportes,onde aumentaram de 20%, principalmente devido ao transporte rodovirio. Alm disso, a con-tribuio do transporte areo e martimo no includa no protocolo de Kyoto e responsvelpor 6% das emisses europias de GHG, com um aumento de 44% desde 1990.

    No perodo 1990-2001, as emisses do setor da produo de energia diminuram de 2%, apesarde a produo ter aumentado de 23% com uma relao favorvel entre a produo e a emisso.

  • 46

    As emisses de CO2 pela indstria devido ao uso de combustveis fsseis diminuram de 9%,graas aos sistemas de produo com elevada eficincia energtica. A emisso de monxidode nitrognio (NO) por indstrias de cido adpico diminuiu de 54%. A produo de HCFCaumentou de 400% de 1995 at 2001.

    A produo de NO pela agricultura foi reduzida graas limitao do uso de fertilizantes abase de nitrognio imposta pelas polticas comunitrias. A formao de metano por ruminantesdiminuiu como conseqncia da reduo do nmero de animais e graas poltica agrcolaadequada da Unio Europia. As emisses devidas s atividades domsticas (principalmenteCO2) foram constantes at 2001, e desde ento aumentaram bruscamente de 7% devido aosinvernos extraordinariamente frios dos ltimos anos que induziram a um maior consumo decombustvel para os sistemas de aquecimento. Felizmente, a taxa de aumento diminuiu graas adoo de gases naturais e biomassas como combustveis e a um maior uso de materiaisisolantes para a construo de casas.

    No que diz respeito a gesto dos resduos, a produo de metano a partir destes diminuiude 24% graas a uma especfica diretriz Europia e a leis nacionais que aumentam as limi-taes da descarga de resduos biodegradveis no tratados e introduo de sistemas paraa reutilizao de biogs.

    5.3 Perspectivas

    No ltimo pargrafo, discutimos sobre algumas diretrizes da Comunidade Europia intro-duzidas como medidas adicionais para a reduo das emisses de GHG em diferentes setoreseconmicos, como a produo de energia, transporte, indstria e gesto dos resduos.Modelos de previso mostram que tais medidas deveriam ser eficazes em certo nvel em todosos setores (Fig. 5.2).

    Quanto ao setor da produo e uso de energia, com exceo dos transportes, a implemen-tao de medidas adicionais nacionais deveria comportar, at o ano de 2010, uma diminuiolquida das emisses de 6% em relao aos valores de 1990. Provavelmente, os nveis esta-belecidos para o uso de recursos renovveis para a produo combinada de energia e calorno sero atingidos.

    As emisses de GHG devidas ao setor dos transportes vo aumentar de 34% em relaoaos valores de 1990 at o ano de2010 principalmente por causado aumento dos transportesrodovirios civis e de carga, osquais apresentam uma relaodesfavorvel entre os itens trans-portados e o nmero de veculos.Tal aumento se verificar apesardos incentivos ao transporte fer-rovirio, fluvial ou martimo, osquais apresentam uma relaofavorvel entre os itens trans-portados e o nmero de veculos.O amplo uso de descargascatalticas em carros alimentadosa gasolina vai limitar as emissesde CO, SOx e NOx, mas aomesmo tempo vai levar a umpequeno aumento das emisses

    Figura 5.2. Previso da reduo mdia das emisses de carbono nos pases europeusat o ano 2010 (em milhes de toneladas de CO2). (European Environmental Agency,EEA, 2003).

  • 47

    de monxido de nitrognio (NO) no ar. As emisses de dixido de carbono dos veculos dimin-uram de cerca de 10% no perodo 1995-2001, o que significa que o limite de 140g de CO2emitidos por km at 2008-2009 - como estipulado nos acordos com os produtores de veculos- tecnicamente realizvel.

    prevista uma diminuio nas emisses de GHG da agricultura graas contnua reduodo nmero de animais de criao e a reduo de fertilizantes a base de nitrognio.

    No setor industrial, as emisses de NO vo continuar diminuindo at o ano 2010. Todavia, ainfluncia positiva sobre o efeito estufa vai ser balanceada negativamente por uma maior emis-so de hidrofluorocarbonos (HCFC) usados para a completa substituio dos clorofluorocar-bonos (CFC, freons) e bromofluorocarbonos (halons).

    No setor da gesto de resduos, est prevista uma reduo das emisses de GHG at 2010em comparao com 1990, graas a uma mais ampla aplicao da diretriz comunitria sobreos aterros sanitrios, garantindo a recuperao dos biogases.

    Todas estas limitaes e as medidas mencionadas acima representam instrumentos pas-sivos, no sentido que objetivam a reduzir as emisses existentes, de modo que a concen-trao atmosfrica total de GHG se reduza por causa da mistura e da diluio. Alm de taisinstrumentos passivos, os oito membros histricos da Unio Europia (ustria, Blgica,Finlndia, Holanda, Portugal, Espanha, Sucia e Gran Bretanha) pretendem usar instrumen-tos ativos (sumidouros de CO2) para e remoo de CO2 da atmosfera. At 2008-2012, estespases provavelmente removero 10 milhes de toneladas de CO2 atravs de atividades dereflorestamento e um adicional de mais 3 milhes de toneladas com aes miradas no setoragrcola. O resultado total desta atividade de remoo dever atingir 4% da reduo totalimposta Europa pelo protocolo de Kyoto.

    Foram propostos outros sistemas para a remoo ativa do CO2 da atmosfera:1) bombear CO2 nas profundezas dos oceanos;2) acrescentar sais de ferro nos oceanos para favorecer o crescimento do fito plncton,

    aumentando assim a remoo de CO2 pela fotossntese.

    O primeiro sistema pode, teoricamente, produzir danos nos recifes de corais, e por esta razofoi rejeitado. O segundo foi testado em pequena escala, mas o maior crescimento do fito plnc-ton induziu tambm a multiplicao dos seus predadores, reequilibrando as populaes, comum efeito lquido insignificante para a remoo de CO2.

    5.3.1 O papel da Qumica Verde nas mudanas climticas

    No ano de 1912, Giacomo Luigi Ciamician (Trieste, 1857 Bolonha, 1922), pai da modernafotoqumica, senador do Reino da Itlia por mritos cientficos, escreveu na revista de famainternacional Science20:

    Colnias industriais sem fumaa e sem chamins vo crescer em terras ridas; florestasde tubos de vidro se estendero sobre as plancies e edifcios de vidro crescero por todos oslados; dentro destes ocorrero processos fotoqumicos que at ento eram segredo das plan-tas, mas que tero se tornado de domnio da indstria humana que saber como fazer comque eles dem frutos ainda mais abundantes que a natureza, porque a natureza no tem pres-sa, mas o gnero humano sim

    Ciamician pode ser considerado um dos pioneiros da moderna Qumica Verde/Sustentvel(GC). Ele compreendeu muito antes da comunidade cientfica que, alm de trazer progresso ebem-estar, as atividades antrpicas tm um impacto ambiental relevante. Ele escreveu nomesmo artigo de Science:

    ... Se a nossa civilizao escura e nervosa, baseada no carvo, fosse seguida por uma ci-

    20 G. Ciamician, Science 36: p. 385 (1912).

  • 48

    vilizao mais calma e baseada no uso de energia solar, causaria menos danos para o pro-gresso e para a felicidade humana.

    Passaram-se mais de 80 anos da morte de Ciamician e a nossa civilizao ainda no sebaseia na energia solar, mas ao contrrio, ns ainda dependemos de combustveis fsseis.Todavia, as coisas esto lentamente mudando. Desde o comeo dos anos 90, um novo con-ceito de qumica - a Qumica Verde/Sustentvel - est conquistando terreno. A disciplina his-toricamente (e corretamente) ligada poluio, vem se transformando em um instrumento fun-damental para a proteo ambiental , mudando completamente perspectiva. Hoje em dia, aQumica Verde um dos principais campos de pesquisas em qumica e tambm amplamenteutilizada na produo e descontaminao industrial.

    Conforme o Working Party on Synthetic Pathways and Processes in Green Chemistry(2000) da Unio Internacional de Qumica Pura e Aplicada (International Union of Pure andApplied Chemistry - IUPAC; http://www.iupac.org) a Qumica Verde/Sustentvel definidacomo A inveno, projeto e aplicao dos produtos e processos qumicos para reduzir oueliminar o uso e a criao de substncias perigosas. Uma outra definio vlida foi dada pelaCOST Action D29 da Unio Europia (2003; http://costchemistry.epfl.ch/docs/D29/d29.htm):Projeto de produtos para aplicaes sustentveis, cuja produo acontece mediante transfor-maes moleculares energeticamente eficientes, que minimizam ou de preferncia eliminam aformao de resduos e o uso de solventes ou reagentes txicos e/ou perigosos, e que, sem-pre que possvel, utilizam matrias- primas renovveis.

    Com relao ao aquecimento global como um dos principais resultados da poluio antrpi-ca, se torna claro que o papel da Qumica Verde/Sustentvel na minimizao do impacto dasatividades humanas sobre o clima global fundamental. Isto pode ser facilmente compreendi-do considerando os interesses em pesquisa e desenvolvimento desta disciplina :

    Mirar o desenvolvimento de processos e produtos que considerem o impacto sobre a sadehumana e sobre o ambiente, atravs da reduo do uso e da gerao de materiais perigosos. Desenvolver processos que contribuam minimizao da emisso de poluentes e for-mao de subprodutos, resduos e lixo. Mirar o desenvolvimento de processos viveis e amplamente aplicveis em vrios processosindustriais. Desenvolver tecnologias e sistemas operativos que reduzam o consumo de energia e derecursos e que promovam a utilizao cclica de materiais e reagentes qumicos. Desenvolver tecnologias inovativas que reduzam a dependncia de matrias-primas no re-novveis, atravs do incentivo utilizao de matrias-primas renovveis. Desenvolver produtos inovativos que permitam a utilizao de materiais reciclveis comorecursos qumicos, preservando assim os recursos ambientais. Desenvolver conceitos e procedimentos que prevejam as conseqncias dos produtos eprocessos qumicos sobre a sade humana e o ambiente.

    Depois de ter concludo a leitura desta monografia sobre as mudanas climticas, o leitor podecompreender facilmente como a pesquisa no campo da qumica verde pode contribuir ao controledo efeito estufa e preservao da ozonosfera. Entre outros, a substituio de solventes e com-ponentes halogenados, a reduo do consumo de energia e o estudo de combustveis alterna-tivos, a utilizao de matrias-primas renovveis e o projeto de processos industriais com umimpacto ambiental mnimo, esto certamente entre os seus objetivos fundamentais.

    O conhecimento cientfico e o know-how tcnico no campo da proteo ambiental so hojeem dia parcialmente disponveis. As polticas ambientais nacionais e internacionais devem per-mitir um uso adequado dos resultados da pesquisa em qumica verde e devem apoiar demaneira eficiente esta disciplina e as outras relacionadas proteo ambiental para que estasobtenham novos importantes resultados.

    /ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False

    /Description > /Namespace [ (Adobe) (Common) (1.0) ] /OtherNamespaces [ > /FormElements false /GenerateStructure true /IncludeBookmarks false /IncludeHyperlinks false /IncludeInteractive false /IncludeLayers false /IncludeProfiles true /MultimediaHandling /UseObjectSettings /Namespace [ (Adobe) (CreativeSuite) (2.0) ] /PDFXOutputIntentProfileSelector /NA /PreserveEditing true /UntaggedCMYKHandling /LeaveUntagged /UntaggedRGBHandling /LeaveUntagged /UseDocumentBleed false >> ]>> setdistillerparams> setpagedevice

Recommended

View more >