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Disciplina: 1400200 - Física da

Terra e do Universo para

Licenciatura em Geociências

18 de maio de 2010

Profa. Rita Yuri Ynoue

E-mail: [email protected]

Ementa

• Objetivos – Proporcionar aos estudantes uma visão do ensino de ciências

da Terra através da aplicação dos conceitos dos diversos campos da Física e sua manipulação matemática.

• Programa– Movimento da Terra e órbitas planetárias. Sistemas de

coordenadas e sistemas de referência. Deslocamentos da superfície da Terra e de massas de ar na atmosfera. Tempo e clima. Áreas de aplicação da meteorologia e sua importância no cotidiano. Física ondulatória e seu papel no estudo de meios elásticos. Estrutura térmica da Terra e de outros corpos do sistema solar. Condução térmica no interior da Terra. Estrutura térmica da atmosfera terrestre. Fenômenos de convecção no interior da Terra e na atmosfera terrestre. Física moderna: estrutura do átomo, isótopos e radioatividade natural.

Tentativa de CronogramaAula Data Conteúdo

1 18/5 Histórico - Evolução e Composição da Atmosfera

2 20/5 Temperatura

3 27/5 Temperatura

4 1/6 Umidade

5 8/6 Umidade

6 10/6 Pressão

7 15/6 Pressão

8 17/6 Vento

9 22/6 Vento

10 24/6 Prova

11 29/6 Revisão da Prova

Evolução da Atmosfera Terrestre

Formação da atmosfera e do oceano

• As teorias sobre como se formaram a atmosfera e o oceano devem começar com a teoria da origem do planeta Terra.

• ~ 4,6 bilhões de anos (4,6 Ga)

• Acresção de planetesimais

http://zebu.uoregon.edu/internet/l2.html

TERRAHeterogênea e dinâmicaSucessivas diferenciações após a acresção

1a

- fusão do Fe e formação do núcleo

2a

- início do vulcanismo e da tectônica de placas

(sucessivas fusões e solidificações de materiais do

manto) formando a crosta continental e oceânica e as

“esferas fluidas” atmosfera e hidrosfera

A primeira atmosfera (se é que existiu...):

• Composição: provavelmente H2 e He(materiais mais abundantes no Sistema Solar)

• Esses gases são relativamente raros na atmosfera da Terra comparados a outras localidades no universo e, possivelmente foram perdidos para o espaço no início da história da Terra devido ao fato de que a gravidade terrestre não ser intensa o suficiente para reter os gases mais leves e pela intensa radiação solar.

• Kasting, 1993

Atmosfera Secundária

• Gerada a partir dos compostos voláteis contidos nos planetesimais a partir dos quais a Terra foi formada.

• A liberação destes compostos voláteis foram provocadas por:– Impactos entre planetesimais (durante o período de acresção

que durou entre 10 a 100 milhões de anos)

– Erupções vulcânicas (iniciado no período de diferenciação)

Kasting, 1993

http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/first_billion_years/first_billion_years.html

A segunda atmosfera• Produzida pela emissão de gases de atividade vulcânica.

• Os gases emitidos por três vulcões hoje são mostrados na tabela abaixo (%):

• Além disso também eram emitidos N2 e H2

• Kasting questiona emissões de NH3 (amônia) e CH4

(metano)

• Nota-se que não há emissão de O2 (oxigênio livre)http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/first_billion_years/first_billion_ye

ars.html

Composição Atmosférica de outros planetas

Origem dos oceanos

• Ao final do período de acresção, com o resfriamento da superfície da Terra (há 4,3Ga), o vapor d’água contido na atmosfera pôde condensar, formando um oceano (Kasting, 1993) que cobria a Terra inteira, ou seja, não exitiam os continentes (Suguio e Suzuki, 2003).

• Há teorias que consideram que parte da água veio de outros corpos celestes que impactaram na Terra.

APÓS A DIFERENCIAÇÃO INTERNA

• T do planeta

• condensação de H2O com absorção de CO2

• enriquecimento relativo em N2

• início do ciclo da água, carregando para os oceanos o CO2 da atmosfera e o Ca do intemperismo das rochas da crosta continental,

• deposição de calcários nos fundos marinhos

Origem da vida

• Grandes impactos terminaram há ~3,8 Ga. (um grande impacto poderia evaporar completamente o oceano, esterilizando o planeta)

• Há evidências da presença de estromatólitos (do grego strôma, "o que cobre" ou "tapete", e líthos, pedra) há 3,5 Ga.

• Assim, a vida deve ter se originado entre 3,8 e 3,5 Ga.

Composição e Evolução da Atmosfera

• T ppt do vapor d´água a atmosfera

torna-se suficientemente transparente (há

mais de 3,5 Ga) a luz solar começa a

chegar com mais intensidade à superfície

E o oxigênio?

• Uma importante questão é como foi processada a adição de O2 livre na atmosfera, que hoje é da ordem de ~21%.

• A produção do oxigênio:

1. Dissociação fotoquímica

1. Dissociação fotoquímica

• A fotólise do vapor d´água e do dióxido de carbono, por radiação ultravioleta e possivelmente relâmpagos, produzem hidroxila (OH) e oxigênio atômico, respectivamente, que, então, se recombinam, produzindo oxigênio em pequenas quantidades. Este processo produziu oxigênio na atmosfera primitiva antes do processo de fotossíntese se tornar dominante.

• Os átomos de hidrogênio formados nestas reações são leves e uma pequena fração escapa para o espaço, possibilitando um pequeno acúmulo de O2.

http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/samson/evolution_atm/index.html#evolution

2. Fotossíntese

• A maior produção de oxigênio se deu pelo processo de fotossíntese:

6CO2 + 6H2O <--> C6H12O6 + 6O2

Onde o dióxido de carbono e água, na presença de luz, produzem matéria orgânica e oxigênio.

• Inicialmente, este processo foi realizado pelas cianobactérias (microorganismos que têm estrutura celular que corresponde a célula de uma bactéria. São fotossintetizadoras, apresentando fotossistemas, mas sem estar organizados em cloroplastos, como as plantas).

• fotossíntese grande consumo de CO2 da atmosfera e liberação de O2 em quantidade

(primeiro lixo da biosfera)

Estromatólitos• Estromatólito do Proterozóico Inferior, Bolívia

Uma das definições mais

aceitas atualmente

caracteriza os estromatólitos

como estruturas organo-

sedimentares produzidas pelo

aprisionamento, retenção

e/ou precipitação de

sedimentos resultante do

crescimento e da atividade

metabólica de

microorganismos,

principalmente cianofíceas

(algas verdes-azuis)

Walter, M. R. 1976. Glossary of selected

terms. In Walter, M. R. (ed.), Stromatolites.

Developments in Sedimentology, 20: 687-

692.

Estromatólito atual Australia

Estromatólitos

• Estromatólitos (desde 3,5 Ga): testemunhos da atividade de

cianobactérias, fotossintetizadoras, que provocam a precipitação de

CaCO3 (há equivalentes atuais na Austrália e na Flórida etc.).

• Os + antigos são australianos.

• A freqüência dos estromatólitos aumentou a partir de 2,2 a 2,3 Ga,

mantendo-se abundantes até 550 Ma.

Estromatólitos• Estromatólito de Sharks Bay, Australia, com um corte transversal ao sentido de

crescimento da estrutura e um detalhe da cianobactéria que constrói a feição. Imagem de http://www.dme.wa.gov.au/ancientfossils/sharkbay2.jpg.

http://www.dme.wa.gov.au/ancientfossils/sharkbay2.jpg

Produção X Consumo de O2

• a produção de oxigênio é feita exclusivamente pela

fotossíntese; outros processos como a fotólise da água na

alta atmosfera, não são importantes quantitativamente

• o consumo de oxigênio ocorre por fenômenos biológicos

(respiração dos seres vivos) e geológicos (intemperismo de

rochas envolvendo reações de oxidação e oxidação de gases

vulcânicos reduzidos)

• o oxigênio liberado foi utilizado para oxidar os materiais

geológicos (registros sedimentares) e também para formar

O3 na alta atmosfera (registros biológicos).

Grandes momentos da evolução do O na atmosfera

– há ~ de 2,7 Ga (materiais geológicos já oxidados)acumulação absoluta de oxigênio na atmosfera

– há ~ de 1,8 Ga a camada de ozônio começou aformar-se (filtragem da radiação UV)

– por volta de 500 Ma (início da era Paleozóica),torna-se possível a ocupação continental pela vida

– somente há cerca de 400 Ma o teor em O2 e em O3

atingiu os níveis “normais”

Composição e Evolução• principal traço da evolução:

diminuição de CO2 e aumento de O2 e O3

• o oxigênio livre está ausente nos outros planetas (admite-se que

apenas os seres vivos são capazes de produzi-lo e que jamais

houve outros sistemas produtores de O2 em quantidades

importantes)

Evolução da atmosfera

• A aquisição de oxigênio nas esferas externas da Terra (atmosfera e hidrosfera) ocorreu devido à atividade biológica (faz tempo que a Vida modifica o planeta...); instalou-se primeiro na hidrosfera (estromatólitos) e só depois na atmosfera (quando a fixação por processos no ambiente aquático não consumia todo o oxigênio produzido).

Acumulação de oxigênio produzido

Indícios geológicos de presença de oxigênio na atmosfera

Rochas sedimentares oceânicas e continentais(tema Ciclo geológico externo)

Indícios geológicos e histórico da evolução do oxigênio na atmosfera

Datações dos materiais terrestres e interpretações dos processos geológicos envolvidos

(Tempo Geológico - datação relativa e absoluta)

Indícios geológicos sobre o oxigênio na atmosfera

• 1 - Camadas vermelhas (couches rouges - red beds)

• John Charlton , Kansas Geological Survey, Educational Resources Credit the Kansas Geological Survey for photos you use.URL=http://www.kgs.ku.edu/Images/DB/index.htmlProgram updated Nov. 11, 2004. Photos added periodically

http://www.kgs.ku.edu/kgs.html

http://www.kgs.ku.edu/kgs.html

Indícios geológicos sobre o oxigênio na atmosfera

• 2 - Formações ferríferas bandadas (BIF)

• Banded iron formation, illustrating the alternating layers of magnetite and hematite (the red iron) and chert. Image from http://www.agso.gov.au/education/factsheet/ironform.html.

http://www.agso.gov.au/education/factsheet/ironform.html

Evolução da Composição da atmosfera terrestre

CO2 N2 (78%)

N2 O2 (20%)

H2O CO2

caráter ácido e redutor

caráter oxidante

• Homo erectus...

Evolução do impacto ambiental ao longo dos anos

Época Consumo de

energia diário per

capita (kcals)

Principais fontes Uso Impacto ambiental

1.000.000 AC 2.000 Alimentos; força

humana

Vida diária Mínimo

100.000 AC 4-5.000 Alimentos; fogo;

ferramentas

simples

Aquecimento;

cozimento de

alimentos; caça

Local e pequeno;

principalmente

destruição da

vegetação e

redução da

população de

animais

5.000 AC 12.000 Animais;

agricultura

Transportes;

agricultura;

construção

Local e grande;

principalmente em

centros de

agricultura (Egito,

Mesopotâmia);

vegetação nativa

cede lugar a

culturas; ambiente

aquático

modificado; início

da degradação dos

solos

1.400 DC 26.000 Vento, água,

carvão, moinhos,

roda d’água

Operações

mecânicas; bombas

de água;

serralherias;

moagem de grãos;

transporte

Local, grande e

permanente;

vegetação natural

removida; poluição

urbana

1.800 DC 50.000 Carvão, máquinas a

vapor

Operações

mecânicas;

processos

industriais;

transporte

Local, regional e

grande; começamas

maiores mudanças

na paisagem;

poluição do ar e da

água comuns em

áreas industriais

1.980 DC 300.000 Combustíveis

fósseis, energia

nuclear, combustão

interna em

máquinas,

eletricidade

Operações

mecânias; processos

industriais;

transporte;

desenvolvimento

social e cultural

Local; regional e

global; permanente

e talvez

irreversíveis

deteriorações do ar,

solo e água em

escala global;

chuva ácida; efeito

estufa; buraco de

ozônio; aumento da

turbidez

atmosférica

Composição da Atmosfera, Ciclos Biogeoquímicos e Tempos de

Residência

Composição média da Atmosfera

N2O 310

H2

CO

500

100

30

ppb

CO2

CH4 (1.8)

ppm

380

Ne

18He (5)

HCHO 300

Etano

SO2

NOx

500

200

100

ppt

NH3 400

CH3OOH 700

H2O2 500

HNO3 300

outrosH2O

Argonio

20%

78%

1%

Oxigênio

Nitrogênio

Ozônio

Quais os elementos presentes na atmosfera?

• Nitrogênio

• Oxigênio

• Carbono

• Hidrogênio

• Enxofre

• Gases Nobres: He, Ne, Ar

E quais os principais elementos dos seres vivos?

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS (CICLAGEM DE NUTRIENTES)

Nutrientes = elementos essenciais aos seres vivos

Qual o histórico destes elementos?

Ciclo biogeoquímico

• Movimento de um determinado elemento ou elementos químicos através da atmosfera, hidrosfera, litosfera e biosfera da Terra.

• Os caminhos percorridos ciclicamente entre o meio abiótico e biótico pela água e por elementos químicos conhecidos, como C, S, O, P, Ca e N

Ciclo da água

Ciclo do Carbono

Ciclo do Nitrogênio

O ciclo do Enxofre

Interferência das atividades humanas sobre os ciclos

biogeoquímicos

OXIDANTES, METAIS, AEROSSOL,

SAIS, COMPOSTOS ORGÂNICOS,

E AMÔNIA ATMOSFÉRICOS

TRANSPORTE, DILUIÇÃO E

REAÇÕES QUÍMICAS

EMISSÃO

DEPOSIÇÃO SECA DEPOSIÇÃO ÚMIDA

REMOÇÃO

O3 H2O2 HCOOH HCHO

NO2/NO3- SO2/SO4

2-

HIDROCARBONETOS

SO2 NO NO2 NH3 PARTÍCULASH2SO4 HNO3 H2O2

(NH4)2SO4 NH4NO3

MATERIAL PARTICULADO,

O3, H2O2, NOX/SO2

(NH4)2SO4 NH4NO3

Processos e compostos envolvidos na poluição do ar.

Aspectos históricos

Poluição atmosférica em

centros urbanos

Historicamente

A preocupação com o ar que respiramos não é

um fenômeno recente

“Comparing the air of cities to the air of deserts

and arid lands is like comparing waters that

are befouled and turbid to waters that are fine

and pure”

Moses Maimonides (1135-1204)

London Smog

- Século 17

“It is horrid smoke which

obscures our Church and

makes our palaces look old,

which fouls our cloth and

corrupts the waters, so as the

very rain, and refreshing dews

which fall in the several

seasons, precipitate to impure

vapour, which, with its black

and tenacious quality, spots,

contaminates whatever is

exposed to it.”

John Evelyn

- Século 13

Carvão substituiu a

madeira no uso

doméstico e industrial

Eventos de excesso de óbitos associados ao “smog” Ano Lugar Número de óbitos em

excesso

1930 Vale do Meuse, Bélgica 63 1948 Donora, Pensilvânia 20

1952 Londres 4000 1962 Londres 700

smog = smoke + fog

(poeira + neblina)

Queima de carvão (Revolução industrial) –

smog sulfuroso ou londrino

Poluição urbana

O episódio de poluição atmosférica em

Londres, 1952: relação entre

concentração de fumaça e óbitos

Smog sulfuroso

Episódio de poluição atmosférica em

Londres, 1962: confirmado a presença de

aerossóis contendo sais de sulfato e ácido

sulfúrico

Smog de Los Angeles

• No final da década de 1940, um novo fenômeno de poluição do ar começou a ser observado na área de Los Angeles, EUA.

• Diferentemente do smog de Londres, o ar ambiente continha poluentes extremamente oxidantes e os eventos ocorriam em dias quentes com muita incidência de radiação solar.

smog = smoke + fog

(poeira + neblina)

Queima de carvão (Revolução industrial) –

smog sulfuroso ou londrino

Queima de combustíveis fosseis (veículos) –

smog fotoquímico ou de Los-Angeles

Poluição urbana

luz solar

óxidos de nitrogênio e

compostos orgânicos voláteis

smog

fotoquímico

(castanho)

smog

industrial

(cinzento)

Fog ou ar úmido

SO2 e MP

originados da

queima de carvão

a) smog industrial, ou smog cinza, ocorre quando

carvão é queimado e a atmosfera está úmida (ex. Londres);

b) smog fotoquímico, ou fumaça castanha, ocorre em presença de

luz solar agindo sobre poluentes veiculares (ex. Los Angeles e São Paulo).

a b

Smog na Cidade do México,

devido localização geográfica e

tráfego veicular.

Donora, Pensilvânia - em outubro

de 1944 foi cenário de um grande

desastre de poluição de ar.

Smog fotoquímico em São Paulo (~1990).

O gás de cor castanha, NO2, é formado quando o NO,

que é um gás incolor, reage com o oxigênio do ar.

(P.W. Atkins, “Atoms, Electrons, and Change”, 1991)

Smog fotoquímico

Comparação entre as características gerais da POLUIÇÃO DO AR

Sulfurosa (Londres) e Fotoquímica (Los Angeles, São Paulo)

(Finlayson-Pitts & Pitts, 1986).

Características Sulfurosa

(Londres)

Fotoquímica

(Los Angeles, São Paulo)

reconhecimento século 19 século 20 (década de 40)

Poluentes primários SO2, partículas de

fuligem

NOx, compostos

orgânicos

Poluentes

secundários

H2SO4, aerossóis,

sulfatos, ácidos

sulfônicos, etc.

O3, HNO3, aldeídos, PAN

(peroxiacetil nitrato),

nitratos, sulfatos, etc.

Temperatura frio ( 2oC) quente ( 23

oC)

Umidade relativa alta, com neblina baixa, quente e seco

Tipo de inversão radiação (terra) subsidência

Picos de poluição início da manhã início da tarde

Poluentes atmosféricos:

O3 (ozônio) SO2 (dióxido de enxofre)

CO (monóxido de carbono) MP (material particulado)

NOx (NO + NO2, óxidos de nitrogênio)

URBANIZAÇÃO e INDUSTRIALIZAÇÃO

Composição química da Atmosfera

N2O 310

H2

CO

500

100

30

ppb

CO2

CH4 (1.8)

ppm

380

Ne

18He (5)

HCHO

Etano

SO2

NOx

ppt

NH3

CH3COOH

H2O2

HNO3

300

500

200100

400

700

500

300

outrosH2O

Argonio

20%

78%

1%

O2

N2

O3

ppm = 10-6 ppb = 10-9 ppt = 10-12

Bibliografia

• Kasting, 1993: “Earth’s early atmosphere”, Science, 12 fevereiro 1993.

• Suguio e Suzuki, 2003: A evolucão geológica da Terra e a fragilidade da vida.

• http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/first_billion_years/first_billion_years.html

• http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/samson/evolution_atm/index.html#evolution

• CETESB: Relatório da Qualidade do Ar



Bibliografia

• C. Baird. “Química Ambiental”, 2a.ed., Bookman, Porto Alegre, 2002.

• J.C. Rocha, A.H. Rosa, A.A. Cardoso, “Introdução à Química Ambiental”, Bookman, Porto Alegre, 2004.

• Brasseur, G.P., Orlando, J.J., Tyndall, G.S., Atmospheric Chemistry and Global Change, Oxford University Press, New York, 1999.

• J.H. Seinfeld e S. N. Pandis, "Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change", John Wiley & Sons, New York, 1998.

• http://www.abema.org.br/ (Associação Brasileira de Entidades Estaduais de Meio Ambiente)

• http://www.cetesb.sp.gov.br/

• http://www.epa.gov/air/

http://www.abema.org.br/

http://www.cetesb.sp.gov.br/

http://www.geog.ouc.bc.ca/

http://www.epa.gov/air/

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