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Disciplina: 1400200 - Física da Terra e do Universo para...
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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.
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
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
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
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.
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.
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).
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
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.
Evolução da Composição da atmosfera terrestre
CO2 N2 (78%)
N2 O2 (20%)
H2O CO2
caráter ácido e redutor
caráter oxidante
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 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
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
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.
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/