Universidade de São Paulo
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas
Departamento de Ciências Atmosféricas
DCA/IAG/USP
Evolução da atmosfera terrestre
(contribuição: Alessandro Santos Borges)
Adalgiza Fornaro
Departamento de Ciências Atmosféricas, IAG/USP
[email protected]
Questões importantes:
1- Qual a composição química da
atmosfera natural
?
atual
1a- O que determina a composição
química da atmosfera
natural?
2- A atmosfera terrestre teve
sempre a mesma composição?
“A história da evolução cósmica teve
início em torno de 20 bilhões de anos
atrás. A ciência ao contrário da bíblia,
não tem explicação para a ocorrência
desse acontecimento extraordinário”
R. Jastrw, Until the sun dies,
Norton, New York, 1997
Composição química da atmosfera
Composição do ar
atmosférico seco ao
nível do mar:
Gás
% volume
Nitrogênio
N2
78,084
Oxigênio
O2
20,948
Argônio
Ar
0,934
CO 2
0,033*
Neônio
Ne
0,00182
Hidrogênio
H2
0,0010
Hélio
He
0,00052
Metano
CH 4
0,0002*
Criptônio
Kr
0,0001
CO
0,00001*
Xenônio
Xe
0,000008
Ozônio
O3
0,000002*
Amônia
NH 3
0,000001
Dióxido de nitrogênio
NO 2
0,0000001*
Dióxido de enxofre
SO 2
0,00000002*
Dióxido de carbono
Monóxido de carbono
* Gases traço de importância ambiental.
A atmosfera atual
Desconsiderando a umidade, a composição percentual média dos
constituintes atmosféricos ao nível do mar é atualmente:
• Nitrogênio (N2) - 78,084%
• Oxigênio (O2) - 20,948%
• Argônio (Ar) - 0,934%
• Gás carbônico (CO2) - 0,031%
• Neônio (Ne) - 0,001818%
• Hélio (He) - 0,000524%
• Metano (CH4) - 0,0002%
• Kriptônio (Kr) - 0,000114%
• Hidrogênio (H2) - 0,00005%
• Xenônio (Xe) - 0,0000087%
Também há traços de :
• Óxidos de nitrogênio (NO, NO2 e N2O)
• Monóxido de carbono (CO)
• Ozônio (O3)
• Amônia (NH3)
• Dióxido de enxofre (SO2)
• Sulfeto de hidrogênio (H2S)
Origem e evolução da
composição química da
atmosfera terrestre
A composição da atmosfera terrestre é única em todo sistema solar
Terra: 78,08% de Nitrogênio, 20,95% de Oxigênio e 0,93% de Argônio
Vênus & Marte: Predominância do Dióxido de Carbono
Gigantes gasosos: Principalmente Hidrogênio e Hélio
Características das atmosferas atuais de
Vênus, Terra e Marte.
Terra antes
da presença
de vida
0,98
1
traços
Temperatura (oC)
400 a 550
-20 a 40
-130 a 25
~85
Evolução química e biológica da vida e evolução da atmosfera terrestre
Tempo aproximado
em anos
atual
Evolução
biológica
(3 bilhões
de anos)
Eventos
importantes
Evolução provável
da atmosfera
Seres humanos
0,5 bilhão
Plantas, répteis, pássaros, peixes
(começo da vida na Terra)
1 bilhão
Respiração aeróbica?
(consumo de O2 nas células)
atual
N2, O2, CO2, H2O
outros gases (traços)
?......................?
2 bilhões
Fotossíntese
(produção de O2 nas células)
3 bilhões
primeiras células vivas
?
Evolução
química
(1,7 bilhões
de anos)
4 bilhões
5 bilhões
?
Intermediária
N2, CO2, H2O
outros gases (traços)
?......................?
primeiros ácidos nucléicos
e proteínas
Formação da Terra??
Primitiva
CH4, H2, NH3, H2O
outros gases (traços)
Formação da atmosfera secundária
O vulcanismo e as atividades sísmicas, assim como outros
mecanismos de liberação de gás, rapidamente produziram a
atmosfera primitiva secundária.
H
escape térmico
H2O, CO2, N2
H2O
CO2
Grandes quantidades de água foram lançadas, resultando numa
atmosfera transiente cheia de vapor. Tão logo a temperatura da superfície
do planeta diminuiu, foi consolidada a crosta terrestre e o vapor precipitou
para formar os oceanos.
Constituição da atmosfera pré-biótica (~4 bilhões de anos atrás)
Razão de mistura em volume
Distribuição vertical dos principais constituintes na atmosfera pre-biótica. Os
gases principais eram N2 e CO2. Temperatura e pressão na superfície terrestre:
~85 oC e 11 bars, respectivamente. Destruição fotoquímica do CO2 aumentou a
produção de O e O2 na atmosfera superior (Kasting, 1990).
Atmosfera pre-biótica
• H2
CH4
NH3
• CO2 CO H2O
N2
NO2
H2S
SO2
Atmosfera
reduzida
Atmosfera
oxidada
Atmosfera redutora: presença de hidrogênio:
FeO
+ H2
Fe + H2O
Contribui para mais água na superfície do planeta e o ferro
foi, gradualmente, incorporado para o manto e núcleo quente.
O oxigênio na atmosfera
O mecanismo inicial que conduziu à formação de oxigênio molecular foi
provavelmente a fotólise do vapor de água na alta atmosfera seguido pelo
escape de átomos de hidrogênio ao espaço.
A quantidade de O2 permaneceu baixa na atmosfera devido à captura
desse elemento por íons de ferro dissolvidos no oceano, servindo como um
eficiente mecanismo de remoção.
O oxigênio começou a acumular por volta de dois bilhões de anos atrás,
permitindo o desenvolvimento de organismos que fossem capazes de
utilizá-lo.
Formação de O2
H2O + h
½ O2
CO2 + H2O + h
+
O2
H2
+
CH2O
Consumo de O2
H2
+
½ O2
H2O
CO +
½ O2
CO2
H2S +
2 O2
H2SO4
Copyright R. R. Dickerson 2011
H2S +
2FeO
½ O2
+
½ O2
2 H+ + S2- + H2O
F2O3
“camas vermelhas” = depósitos de óxidos de ferro (III)
Formação das “camas vermelhas” = depósitos de óxidos de ferro (III)
Thompson & Turk, Earth Science and the Environment, 2ª. Ed., Saunders, 1999.
Dissolução do CO2 e
precipitação de calcário
(branco) → diminuição de
CO2 atmosférico
Fotossíntese:
liberação de O2
concentração
de O2 aumenta
=
precipitação de
óxido de ferro
(vermelho)
Remoção de CO2 da atmosfera
Conforme os oceanos eram formados, grandes quantidades de CO2
atmosférico progressivamente dissolviam-se na água. Aproximadamente
50% do dióxido de carbono deve ter sido absorvido pelo oceano.
Um dos mecanismos responsáveis pelo decaimento de CO2 na atmosfera
durante a era Arqueana (2,5 bilhões de anos atrás) foi o umidecimento das
rochas, quando ácido carbônico (produzido quando CO2 dissolve na nuvem)
carregado pela água da chuva reage com o silicato contido nos minerais.
Evolução da composição química da atmosfera:
primitiva
atual
Constituição da atmosfera atual (século 20 e 21)
Influências da ação humana pelas crescentes emissões de gases
radiativamente ativos (p. ex. os clorofluorcarbonos - CFCs). Temperatura e
pressão na superfície terrestre: -20 a 40oC e 0,1 a 1 bars, respectivamente.
Nível de CO2 na superfície
Nível de O2 na superfície ou
abundância da coluna de O3
Oxigênio, ozônio e CO2
100%
10%
1%
Nível de O2 na superfície ou
abundância da coluna de O3
Oxigênio e ozônio
Provável evolução da abundância do oxigênio e do ozônio na atmosfera
(frações dos níveis atuais) durante os diferentes períodos geológicos da
história da Terra (Wayne, 1991).
Evolução biótica
Fermentação
C6H12O6 (aq)
2 C2H3OH (aq)
glucose
+
2 CO2 (g) + energia
etanol
Respiração anaeróbica
Bactérias metagênicas
4 H2 (g) + CO2 (g)
CH4 (g)
+
2 H2O (aq)
Nitrogênio molecular
NH3 (g) +
h
N (g)
+
N (g)
N (g)
+
3 H (g)
N2 (g)
Até que O2 fosse
suficiente para
absorver radiação e
assim, impedindo a
fotólise de NH3
Denitrificação
Composto orgânico + NO3-
CO2 (g)
+ NO2- + ......
Composto orgânico + NO2-
CO2 (g)
+ N2 (g)
Evolução biótica
Fotossíntese
Por algas azuis, verdes e amarelas
CO2 (g) + H2S (g) + h
CH2O (aq) + H2O (aq) + 2 S (g)
Fotossíntese produtora de enxofre ou ANOXIGÊNICA
não produz O2
Fotossíntese produtora de O2
6CO2 (g) + 6 H2O (aq) + h
C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g)
Respiração
C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g)
6CO2 (g) + 6 H2O (aq) + energia
Produz energia mais eficientemente do que a fermentação ou respiração anaeróbica
Remoção de CO2 da atmosfera
CO2 pode ter sido também removido da atmosfera por microorganismos
fotossintéticos presentes no oceano, antes de ser convertido em
sedimentos de carbonato de cálcio (CaCO3).
A deposição do dióxido de carbono foi essencial por permitir a
produção de oxigênio e, assim, o desenvolvimento de certas formas
de vida no planeta.
O oxigênio na atmosfera
Considerando-se o total de oxigênio produzido via fotossíntese ao longo
da história da Terra (ou seja, produção por fotossíntese menos respiração
e decaimento de matéria orgânica), apenas cerca de 10% está presente
na atmosfera.
A maior parte do oxigênio é encontrada em óxidos (como Fe2O3) e
compostos carbonáceos biogenicamente precipitados (CaCO3 e
CaMg(CO3)2) na crosta terrestre.
O oxigênio na atmosfera
Um dos primeiros tipos de bactérias foi a cianobactéria (alga azul
esverdeada). Evidências em fósseis indicam que essas bactérias
existiram aproximadamente a 3,3 bilhões de anos atrás e foram as
primeiras a realizar fotossíntese, convertendo dióxido de carbono e
água em oxigênio na presença de luz solar.
A fotossíntese por cianobactérias e, mais tarde, por plantas, tornou-se a
maior fonte de oxigênio atmosférico. Entretanto, a época precisa e as
razões para o aumento de oxigênio na atmosfera permanecem incertas.
Acredita-se que o nível de oxigênio atingiu 1%, 10% e 100% de seu
presente valor em 2000, 700 e 350 milhões de anos atrás,
respectivamente.
Resumo
• A Terra se forma pelo processo de acreção
• Atmosfera primitiva: Gases voláteis escapam ao espaço (hidrogênio e hélio)
• O planeta evolui, crescendo e esquentando
• Vulcanismo libera gases e vapor de água na atmosfera
• A Terra esfria e o vapor condensa, formando oceanos
• Atmosfera secundária: Predominância de CO2 e N2
• “Paradoxo do Sol jovem": Efeito estufa conserva o calor mesmo com reduzida energia solar
• Advento da vida nos oceanos
• CO2 é removido gradativamente da atmosfera (chuva de ácido carbônico reagindo com silicato
nas rochas)
• Microorganismos fotossintéticos (algas azuis esverdeadas) contribuem para a remoção de CO 2 e
formação de oxigênio
• A camada de ozônio se forma, permitindo o desenvolvimento de formas de vida em superfície
(proteção contra radiação UV)
• Seres humanos causam perturbações na química atmosférica
O oxigênio na atmosfera
Camada de ozônio
O2 + h
O2 + O
O
+
O
O3
No mesmo período, o ozônio foi formado, devido à dissociação
fotoquímica das moléculas de oxigênio pela radiação ultravioleta. A
camada de ozônio originada ofereceu a proteção necessária contra
radiação ultravioleta, permitindo o desenvolvimento de vida na
superfície.
• A formação de ozônio na atmosfera depende da presença de
O(g).
• A baixas altitudes, a radiação com energia suficiente para a
formação de O(g) é absorvida.
• A liberação de energia do O3* depende de colisões, as quais
geralmente ocorrem a baixas altitudes.
• A associação de efeitos significa a formação máxima de
ozônio na estratosfera.
Nível de CO2 na superfície
Nível de O2 na superfície ou
abundância da coluna de O3
Oxigênio, ozônio e CO2
Nível de O2 na superfície ou
abundância da coluna de O3
Oxigênio e ozônio
Provável evolução da abundância do oxigênio e do ozônio na atmosfera
(frações dos níveis atuais) durante os diferentes períodos geológicos da
história da Terra (Wayne, 1991).
Ozônio na Atmosfera
Camada de
ozônio
Aumento do
ozônio
devido
poluição
Concentração de ozônio
Estratosfera
Troposfera
Efeito estufa
A energia vinda do Sol era provavelmente 25% a 30% menor do que as
quantias atuais.
Se considerarmos a composição química da atmosfera atual, a
temperatura de equilíbrio na superfície teria sido de 0oC até por volta de
dois bilhões de anos atrás.
Porém, o vapor de água liberado não congelava, sugerindo que a
temperatura média da Terra foi mantida a um valor relativamente alto por
algum mecanismo terrestre.
Efeito estufa
Essa questão, chamada de "paradoxo do Sol jovem" pode ser respondida
assumindo que o albedo da Terra era menor no passado ou que o
aquecimento devido ao efeito estufa era mais pronunciado.
A concentração de CO2 requerida para compensar a reduzida
luminosidade solar no passado permanece especulativa, mas pode ter sido
600 vezes maior que o presente nível atmosférico.
Origem da vida
Síntese abiótica
- descarga elétrica
O experimento conduzido nos anos de 1950 por Miller (1953) e Miller e
Urey (1959) tende a sustentar a hipótese de que moléculas biologicamente
importantes como açúcar e aminoácidos foram formados por descargas
elétricas (simulando relâmpagos) em uma mistura de moléculas de CH4,
NH3, H2 e H2O contidas em um recipiente fechado de vidro.
Origem da vida
Entretanto, como gases vulcânicos podem ter sido oxidados por volta de
3,5 a 3,8 bilhões de anos atrás, antes dos primeiros sinais de vida terem sido
registrados em sedimentos, amônia (NH3) e metano (CH4) podem não ter
estado presente na atmosfera primitiva.
Além disso, mesmo que CH4 e NH3 fossem lançados dos vulcões, eles
teriam sido apenas constituintes menores da atmosfera, pois eles facilmente
sofreriam fotólise.
Origem da vida
Porém, é possível que a atmosfera fracamente redutora contendo
CO2, N2, e traços de CO e H2 tenha tido papel importante no
surgimento da vida.
Reações fotoquímicas podem ter gerado formaldeído (CH2O
necessário para a síntese de açucares) e cianeto de hidrogênio
(HCN usado na síntese de aminoácidos).
O processo de formação de HCN permanece incerto,
entretanto, outros mecanismos para a emergência da vida tem
sido propostos.
Origem da vida
Uma possibilidade, é a de que moléculas orgânicas podem ter sido
introduzidas na Terra por bombardeamento de micrometeoritos.
Origem da vida
Apesar da bem sucedida síntese de biomoléculas primitivas sob condições
de laboratório representando a atmosfera primitiva, é mais provável que a
vida tenha surgindo no oceano (possivelmente entre 3,8 a 4,8 bilhões de
anos atrás) em restritos e especializados ambientes, como as passagens
vulcânicas.
Origem da vida
A primeira evidência de vida foi fornecida por impressões
fossilizadas de uma comunidade microbial encontrada em uma rocha
sedimentária de 3,8 bilhões de idade.
Estromatolito: rocha formada pelas algas azuis-esverdeadas
Remoção de CO2 da atmosfera
Com o tempo, o carbono
excedente ficou confinado em
rochas sedimentares (calcário),
combustíveis fósseis (carvão,
petróleo, gás natural) e conchas
de animais.
Pg = 1015 g
Ao
longo
dos
períodos
geológicos, a quantidade de CO2
na atmosfera tem sido regulada
por remoção úmida e processos
de liberação associados com
vulcanismo e metamorfismo
(mudanças na estrutura ou
constituição das rochas devido à
pressão e temperatura).
O oxigênio na atmosfera
A transição da atmosfera primitiva redutora, sem oxigênio, para uma
atmosfera oxidante que sustente a vida para grandes organismos foi,
inquestionavelmente, o estágio mais importante da evolução da atmosfera
terrestre.
A teoria de Gaia
A presença de oxigênio molecular na atmosfera é instável, devida a
propriedade do oxigênio reagir (oxidar) com várias moléculas e compostos.
Por exemplo, o dióxido de carbono é a forma totalmente oxidada do
carbono.
Ao contrário das atmosferas presentes em outros planetas do
sistema solar, a da Terra não se encontra em equilíbrio químico, pois
as concentrações de N2, O2, CH4, N2O e NH3 são muito maiores do
que deveriam ser para se obter o perfeito equilíbrio.
Isso se deve aos processos biológicos, uma vez que os quatro mais
abundantes
elementos
químicos
presentes
atmosfera
(nitrogênio,
oxigênio, hidrogênio e carbono) também são os mais abundantes da
biosfera.
Gaia, deusa da mitologia grega cujo correspondente latino é Terra. Mãe e esposa de
Urano, deu à luz os Ciclopes, os Titãs, as eríneas (Fúrias) e outros monstros. De
símbolo de fecundidade passou a ser considerada mãe do universo e dos deuses.
A Teoria Gaia
James Lovelock (1976, 1988, 1991)
“através da Teoria Gaia eu vejo a Terra e a vida nela contida,
como um sistema, um sistema que tem a capacidade de
regular a temperatura e a composição da superfície terrestre
e mantê-la confortável para os seres vivos. Este sistema é
auto regulável por um processo ativo mantido pela energia
livre disponível da luz solar.”
(Jardim e Chagas, Química Nova, 15(1), 1992, 73-76)
A hipótese de Gaia, proposta por James Lovelock sugere que microorganismos, plantas e
animais agem de tal modo que o ambiente da Terra é ajustado aos estados ótimos para a
manutenção da vida.
Assim, a biosfera provavelmente tem mantido a composição química da atmosfera distante das
condições de equilíbrio termodinâmico encontradas em Marte e Vênus.
Essa proposta não condiz com os princípios do neo-Darwinismo, mas sem dúvida está correta ao
afirmar que a atmosfera está fortemente condicionada aos eventos que ocorrem na biosfera.
A teoria de Gaia
Há uma crescente evidência de que a
composição da atmosfera terrestre é, em alto grau,
sob o controle da biosfera marítima e terrestre.
O nível de 20% de oxigênio na atmosfera é, por
exemplo, resultado da atividade fotossintética.
Outros ciclos químicos como o do nitrogênio e do
carbono são também biologicamente mediados.
Ciclo do carbono
Ciclo do nitrogênio
Referências bibliográficas
“Atmospheric Chemistry and Global Change”
Guy P. Brasseur; John J. Orland; Geoffrey S. Tyndall
“Principles of Atmospheric Physics and Chemistry”
Richard Goody
“As eras de Gaia”
James Lovelock
“A evolução cósmica e a origem da vida”
Hernâni L.S. Maia e J.J. Moura Ramos (editores científicos)
Actas do primeiro encontro nacional sobre a origem da vida e aspectos relacionados (ENOVAR-83)
realizado na Universidade do Minho, em Braga, de 20 a 22 de Julho de 1983.
Referências da Internet
Niel Brandt's Astronomy 1 Page: Astronomical Universe
http://www.astro.psu.edu/users/niel/astro1/astro1.html
Earth's Early Years: Differentiation, Water and Early Atmosphere
http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/first_billion_years/
first_billion_years.html
History of Earth
http://www.mansfield.ohio-state.edu/~sabedon/biol1010.htm
The Beginning of Life and Amphiphilic Molecules: an Introduction
http://www.bioteach.ubc.ca/Biodiversity/origin/
Software: Gravity and Galaxies Simulation
Stephen Brooks's Website: http://stephenbrooks.org
Software: Celestia
http://www.shatters.net/celestia/