Disciplina: ACA 225 Licenciatura em Geociências
Prof Fabio L T Gonçalves
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.
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
Choque com um planeta proximo ao tamanho de
Marte e formação da Lua
http://zebu.uoregon.edu/internet/l2.html
TERRA
Heterogênea e dinâmica
Sucessivas diferenciações após a acresção
1- Fusão do Fe e formação do núcleo terrestre
2- 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
3- Água na Terra e as marés
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 , CH4 e H2
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 4,6 Ga),
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), formado por bacterias há 3,5 3,7 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/ev
olution_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 organosedimentares produzidas pelo
aprisionamento, retenção
e/ou precipitação de
sedimentos resultante do
crescimento e da atividade
metabólica de
microorganismos,
principalmente cianofíceas
(“algas” verdes-azuis,
bacterias)
Walter, M. R. 1976. Glossary of selected
terms. In Walter, M. R. (ed.), Stromatolites.
Developments in Sedimentology, 20: 687692.
Estromatólito atual Australia
Estromatólitos
Estromatólitos (desde 3,7 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 a
formar-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” (entre 20 e 30%)
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.html
Program 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
H2O
caráter ácido
e redutor
N2 (78%)
O2 (20%)
CO2
caráter
oxidante
Composição da Atmosfera, Ciclos
Biogeoquímicos e Tempos de
Residência
Composição média da Atmosfera
CH3OOH 700
H2
500
Nitrogênio 78%
CO2
380
Ne
H2O
Argonio
1%
He (5)
CH4 (1.8)
500
Etano 500
N2O
Oxigênio 20%
H2O2
CO
18
ppm
Ozônio
310
100
30
ppb
NH3
400
HCHO
HNO3
300
300
SO2
NOx
200
100
outros
ppt
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
Ciclo da água
Ciclo do Carbono
Ciclo do Nitrogênio
O ciclo do Enxofre
Evolução do impacto ambiental ao longo dos anos
Época
1.000.000 AC
100.000 AC
Consumo de
Principais fontes
energia diário per
capita (kcals)
2.000
Alimentos; força
humana
4-5.000
Alimentos; fogo;
ferramentas
simples
Uso
Impacto ambiental
Vida diária
Mínimo
Aquecimento;
cozimento de
alimentos; caça
Local e pequeno;
principalmente
destruição da
vegetação e
redução da
população de
animais
Local e grande;
principalmente em
centros de
agricultura (Egito,
Mesopotâmia);
vegetação nativa
cede lugar a
culturas; ambiente
aquático
modificado; início
da degradação dos
solos
Local, grande e
permanente;
vegetação natural
removida; poluição
urbana
5.000 AC
12.000
Animais;
agricultura
Transportes;
agricultura;
construção
1.400 DC
26.000
Vento, água,
carvão, moinhos,
roda d’água
1.800 DC
50.000
1.980 DC
300.000
Local, regional e
grande; começamas
maiores mudanças
na paisagem;
poluição do ar e da
água comuns em
áreas industriais
Combustíveis
Operações
Local; regional e
fósseis, energia
mecânias; processos global; permanente
nuclear, combustão industriais;
e talvez
interna em
transporte;
irreversíveis
máquinas,
desenvolvimento
deteriorações do ar,
eletricidade
social e cultural
solo e água em
escala global;
chuva ácida; efeito
estufa; buraco de
ozônio; aumento da
turbidez
atmosférica
Operações
mecânicas; bombas
de água;
serralherias;
moagem de grãos;
transporte
Carvão, máquinas a Operações
vapor
mecânicas;
processos
industriais;
transporte
Interferência das atividades
humanas sobre os ciclos
biogeoquímicos
Processos e compostos envolvidos na poluição do ar.
OXIDANTES, METAIS, AEROSSOL,
SAIS, COMPOSTOS ORGÂNICOS,
E AMÔNIA ATMOSFÉRICOS
O3 H2O2 HCOOH HCHO
TRANSPORTE, DILUIÇÃO E
REAÇÕES QUÍMICAS
REMOÇÃO
HIDROCARBONETOS
SO2 NO NO2 NH3 PARTÍCULAS
EMISSÃO
NO2/NO3- SO2/SO42-
DEPOSIÇÃO SECA
MATERIAL PARTICULADO,
O3, H2O2, NOX/SO2
(NH4)2SO4
NH4NO3
DEPOSIÇÃO ÚMIDA
H2SO4 HNO3 H2O2
(NH4)2SO4 NH4NO3
Poluição atmosférica em
centros urbanos
Aspectos históricos
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)
- Século 13
- Século 17
Carvão substituiu a
“It is horrid smoke which
madeira no uso
obscures our Church and
doméstico e industrial 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.”
London Smog John Evelyn
smog = smoke + fog
(poeira + neblina)
Poluição urbana
Queima de carvão (Revolução industrial) –
smog sulfuroso ou londrino
Eventos de excesso de óbitos associados ao “smog”
Ano
Lugar
1930
1948
1952
1962
Vale do Meuse, Bélgica
Donora, Pensilvânia
Londres
Londres
Número de óbitos em
excesso
63
20
4000
700
Smog sulfuroso
O episódio de poluição atmosférica em
Londres, 1952: relação entre
concentração de fumaça e óbitos
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)
Poluição urbana
Queima de carvão (Revolução industrial) –
smog sulfuroso ou londrino
Queima de combustíveis fosseis (veículos) –
smog fotoquímico ou de Los-Angeles
Fog ou ar úmido
smog
industrial
(cinzento)
a
b
luz solar
smog
fotoquímico
(castanho)
SO2 e MP
originados da
queima de carvão
óxidos de nitrogênio e
compostos orgânicos voláteis
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).
Donora, Pensilvânia - em outubro
de 1944 foi cenário de um grande
desastre de poluição de ar.
Smog na Cidade do México,
devido localização geográfica e
tráfego veicular.
Smog fotoquímico
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)
Comparação entre as características gerais da POLUIÇÃO DO AR
Sulfurosa (Londres) e Fotoquímica (Los Angeles, São Paulo)
(Finlayson-Pitts & Pitts, 1986).
Características
Sulfurosa
Fotoquímica
(Londres)
(Los Angeles, São Paulo)
reconhecimento
século 19
século 20 (década de 40)
Poluentes primários
SO2, partículas de
NOx, compostos
fuligem
orgânicos
Poluentes
H2SO4, aerossóis,
O3, HNO3, aldeídos, PAN
secundários
sulfatos, ácidos
(peroxiacetil nitrato),
sulfônicos, etc.
nitratos, sulfatos, etc.
o
o
Temperatura
frio ( 2 C)
quente ( 23 C)
Umidade relativa
alta, com neblina
baixa, quente e seco
Tipo de inversão
radiação (terra)
subsidência
Picos de poluição
início da manhã
início da tarde
URBANIZAÇÃO e INDUSTRIALIZAÇÃO
Poluentes atmosféricos:
O3 (ozônio)
SO2 (dióxido de enxofre)
CO (monóxido de carbono)
MP (material particulado)
NOx (NO + NO2, óxidos de nitrogênio)
Composição química da Atmosfera
CH3COOH 700
H2
N2
78%
CO2
O2
H2O
Argonio
500
20%
1%
H2O2
500
Etano
500
NH3
400
HCHO
HNO3
300
300
200
100
380
Ne
He (5)
CH4 (1.8)
18
N2O
310
CO
100
O3
30
ppm
ppb
ppm = 10-6
ppb = 10-9
SO2
NOx
outros
ppt
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/cur
rent/lectures/first_billion_years/first_billion_years.html
http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/cur
rent/lectures/samson/evolution_atm/index.html#evoluti
on
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/