ACA INTRODUÇÃO ÀS CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS RICARDO DE CAMARGO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS – IAG/USP PARTE 4 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA ATMOSFERA; GASES PERMANENTES; GASES VARIÁVEIS; ESPECTRO DE RADIAÇÃO; ABSORÇÃO E EMISSÃO DE RADIAÇÃO; FOTO-IONIZAÇÃO; FOTO-DISSOCIAÇÃO; OZÔNIO

COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA ATMOSFERA  Para que a concentração dos gases permanentes mantenha-se constante é necessário que haja um equilíbrio entre sua produção e destruição.

BALANÇO DOS GASES PERMANENTES Remoção = Produção

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

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

OS DEMAIS GASES PERMANENTES  O Argônio (Ar), Neônio (Ne), Hélio (He), Hidrogênio (H 2 ) e Xenônio (Xe) representam menos do que 1% em volume e, não são tão importantes para a Terra como o nitrogênio e o oxigênio.

BALANÇO DOS GASES NÃO PERMANENTES  Os gases não permanentes mais relevantes são: vapor d’água (H 2 O), dióxido de carbono (CO 2 ), metano (CH 4 ), óxido nitroso (N 2 O), ozônio (O 3 ) e os cloro-flúor-carbonetos (CFCs).

CONCENTRAÇÃO DOS GASES NÃO PERMANENTES Fonte: IPCC, 2001

VAPOR DE ÁGUA (H 2 O) A concentração do vapor d’água na atmosfera é extremamente variável. A maior parte do vapor d’água está próxima à superfície. Fontes de vapor d’água (oceanos, mares, lagos, rios, etc) encontram-se na superfície. A capacidade de reter vapor d’água na atmosfera aumenta com a temperatura do ar que, por sua vez, apresenta um máximo (T máx ) na superfície da Terra. Os maiores valores de concentração do vapor d’água próximo à superfície são encontrados nas regiões tropicais, enquanto que as menores são encontradas nas regiões polares.

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

TRANSPORTE DE CALOR LATENTE  O processo de evaporação (superfície) e condensação (nuvens), representa um transporte de energia (calor latente) da superfície para a atmosfera.

VAPOR DE ÁGUA E A RADIAÇÃO  O vapor d’água presente na atmosfera interage pouco com a radiação solar, tal que grande parte da energia proveniente do Sol atinge a superfície da Terra, aquecendo-a, esta é uma das razões para a temperatura do ar apresentar um máximo na superfície terrestre.  Por outro lado, o vapor d’água presente na atmosfera interage bastante com a radiação terrestre. Tal que, grande parte da energia, proveniente da superfície terrestre, na forma de radiação (onda eletromagnética) é absorvida.

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

ATMOSFERA VERSUS OCEANO  Os oceanos também exercem um controle bastante grande nos níveis atmosféricos de CO 2.  No intervalo de temperaturas observados na superfície o CO 2 se dissolve diretamente na água.  Estima-se que os oceanos contém 50 vezes mais CO 2 que a atmosfera.

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

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

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

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

GÁS METANO CH 4 Produção: O CH 4 é produzido na decomposição de material orgânico: atividade agrícola (principalmente nos arrozais) e na pecuária no processo bioquímico do estômago do gado. Remoção: Absorvido pela água dos oceanos e das nuvens e em outras reações químicas na atmosfera.

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

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

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

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

Ciclo de Milankovitch 24.5 o a 21.5 o 7% a 30% de Energia

Terra a cerca de atrás

Eras glaciais

Enxofre (sulfato e SO 2 )

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

ÓXIDO NITROSO N 2 0 Produção: O N 2 0 é produzido no solo através do processo químico que envolve bactérias e micróbios. Remoção: O N 2 0 é consumido na atmosfera através das reações fotoquímicas com a participação da radiação ultravioleta.

Taxa de aumento N 2 0 Fonte: IPCC, 2001 ppb = partes por bilhão

Situação do N 2 0 Fonte: IPCC, 2001 ppb = partes por bilhão

Taxa de crescimento do N 2 0 A concentração de N 2 0 vem aumentando nos últimos anos a uma taxa de 0,25% ao ano.

no Mínimo de Maudner no Mínimo de Maudner e nos dias de hoje... e nos dias de hoje... Consequencias do Aquecimento global

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

Destruição do Ozônio Fonte: NASA

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

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

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

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

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

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

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

Ionosfera Fonte: Atmospheric Science, Wallace e Hobbs

SUB-CAMADAS DA IONOSFERA  A ionosfera é composta na sua maior parte de elétrons livres produzidos na foto-ionização das moléculas e átomos.  Ela é dividida em de três camadas:  Camada D - 50 a 90 km de altitude em relação ao nível médio do mar;  Camada E - 90 a 140 km de altitude em relação ao nível médio do mar;  Camada F - Acima de 140 km de altitude em relação ao nível médio do mar.

Ionosfera

CICLO DIURNO DA CAMADA D  A camada D (parte mais baixa) reflete as ondas de rádio AM de volta para a Terra.  À noite, esta camada desaparece em virtude da ausência da radiação solar fazendo com que a transmissão de ondas de rádio tenha um alcance maior do que durante o dia.

Ciclo diurno da Camada D Fonte: Meteorology Today Dia Noite

Magnetosfera Fonte: Meteorology Today

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

VENTO SOLAR E MAGNETOSFERA  Fora da magnetosfera, envolvendo a Terra existe um plasma constituído de partículas de alta energia que são gerados no Sol e trazidas até a Terra pelos ventos solares.

Vento Solar e Magnetosfera

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

Sol

Sol

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

AURORAS

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

Aurora em Saturno

RADIAÇÃO  A radiação é uma forma de transporte de energia através de ondas eletromagnéticas.  Neste processo, a quantidade de energia transportada por uma onda eletromagnética é inversamente proporcional ao comprimento de onda ( ).

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

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

Espectro de Radiação

Radiação Solar Fonte: Meteorology Today

ESPECTRO DE RADIAÇÃO SOLAR  O espectro de energia emitido pelo Sol indica uma emissão contínua em um intervalo de comprimentos de onda que vai de 0,1  m até 1  m.  Cerca de 44 % da energia do Sol encontra-se na região de espectro denominada de região do visível compreendida entre os comprimentos de onda que vão de 0,4  m a 0,7  m.

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

RADIAÇÃO INFRAVERMELHA  A radiação terrestre também é chamada de radiação infravermelha devido á posição que ocupa no espectro de radiação eletromagnética.

Radiação solar e terrestre

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

LEI DE STEFAN-BOLTZMAN  Onde E é o fluxo de radiação em W.m -2,  é a constante de Stefan- Boltzmann (  = 5,67x10 -8 W m -2 K -4 ) e T é a temperatura em Kelvin.  Tanto o Sol quanto a Terra emitem como um corpo negro a temperaturas de 6000 K e 288 K.

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

Absorção e emissão de radiação Fonte: Meteorology Today

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

Efeito estufa

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

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

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

OZÔNIO E OXIGÊNIO

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

Ozônio Estratosférico

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

REMOÇÃO DE OZÔNIO

RADIAÇÃO ULTRA-VIOLETA

CICLO DIURNO DA UV

ÍNDICE DE UV