XXII Encontro Sergipano de Física
Efeito estufa: como acontece, por
que acontece e como influencia o
clima do nosso planeta
Prof. Dr. Milan Lalic
Departamento de Física
Universidade Federal de Sergipe
Resumo
•
O efeito estufa se refere à situação no qual a luz visível do Sol passa através de algum meio
transparente sendo absorvida pelos objetos, mas o mesmo meio não deixa a luz infravermelha, reirradiada pelos mesmos objetos, de escapar. Acumulação da radiação infravermelha (calor) leva a
elevação da temperatura resultante. Manifestações do efeito estufa são várias: desde aquecimento
do interior do carro deixado no Sol até o aquecimento global e mudanças climáticas do nosso
planeta.
•
Para que alguém entendesse a causa do efeito estufa, porém, precisa ter um bom nível de
conhecimento da mecânica quântica, uma das mais complexas áreas de física. Objetivo dessa
palestra é de aproximar esse assunto para o público que ainda não atingiu este nível. Portanto,
serão introduzidos alguns conceitos da mecânica quântica em nível popular. Serão discutidos
assuntos que envolvem natureza de luz, diferenças entre vários tipos da radiação eletromagnética,
maneiras como essa radiação interage com átomos (ou moléculas) e como os últimos absorvem e
liberam a energia da radiação. Depois disso, o público terá bastante ingredientes para entender o
que causa efeito estufa, como esse efeito se manifesta e como se pode lidar e manipular com suas
consequências.
Plano de palestra
1. Introdução: o que é efeito estufa e como se manifesta ?
motivação principal da palestra:
explicar como e por que ocorre efeito estufa
2. Qual é a natureza de luz?
3. Como se comporta matéria no nível atomístico?
4. Como interagem a matéria e a luz?
5. Explicação do efeito estufa.
1. O que é efeito estufa e como se manifesta
Definição:
O efeito estufa se refere à situação no qual a luz visível do Sol
passa através de algum meio transparente sendo absorvida
pelos objetos, mas o mesmo meio não deixa a luz
infravermelha, re-irradiada pelos mesmos objetos, de escapar.
Acumulação da radiação infravermelha (calor) causa a elevação
da temperatura resultante.
1. O que é efeito estufa e como se manifesta
Exemplo 1: carro exposto diretamente ao Sol.
1.
2.
3.
4.
Luz visível entra no interior do carro através dos vidros.
O interior absorve energia do luz visível e irradia calor.
Grande parte do calor não atravessa os vidros e fica prezo no carro.
Mais tempo o carro fica exposto ao Sol, maior temperatura dentro do carro.
1. O que é efeito estufa e como se manifesta
Exemplo 1: carro exposto diretamente ao Sol.
Nunca deixe qualquer ser vivo trancado no carro exposto ao Sol !!!
1. O que é efeito estufa e como se manifesta
Exemplo 2: jardim solar.
“greenhouse”
Única maneira de que habitantes dos países não-trópicos tenham frutas e vegetais frescos
durante o inverno. (além de importação do Brasil ou outros países tropicais)
1. O que é efeito estufa e como se manifesta
Exemplo 2: jardim solar.
1. O que é efeito estufa e como se manifesta
Exemplo 3: o clima temperado do nosso planeta.
1. O que é efeito estufa e como se manifesta
Exemplo 3: o clima temperado do nosso planeta.
Algumas contas aproximadas:
• Se a Terra fosse um corpo negro ideal, temperatura média seria 5.3 0C.
• Com 30% da luz Solar refletida para o espaço, temperatura média seria – 18 0C.
• Temperatura média atual da Terra é 14 0C.
• Diferença entre –18 e +14 0C é graças o efeito de estufa.
Sem efeito estufa, nosso planeta seria fria demais !!!
Como e por que ocorre efeito estufa?
Questão fundamental:
Por que o vidro e a atmosfera estão transparentes para radiação visível e
não estão transparentes para radiação infravermelha (calor) ?
Motivação dessa palestra
Respostas:
• Por causa das propriedades específicas dos dois meios no nível atomístico.
• Por causa da interação específica entre matéria e radiação no nível atomístico.
explicadas pela Mecânica Quântica...
2. Qual é a natureza de luz?
Antiga Grécia: luz consiste de feixe de partículas !
Newton: natureza particular  propagação retilínea
Século XVII
Huygens: natureza ondulatória  desvia obstáculos
Ambos explicarem as leis de reflexão e refração da luz !
2. Qual é a natureza de luz?
Século XIX:
1801: Thomas Young  experiência da fenda dupla
1873: James Clerk Maxvell  onda eletromagnética se move com velocidade da luz
1887: Heinrick Hertz  detectou experimentalmente onda eletromagnética
Parecia que a natureza da luz era ondulatória, mas...
2. Qual é a natureza de luz?
Século XX: surgiram 3 experiências famosas
Radiação do corpo negro
Efeito fotoelétrico
Efeito Compton
... que não podiam ser explicadas assumindo natureza ondulatória da luz!
Física clássica sofreu a derrota, e começaram de surgir primeiras ideias
que logo fundaram uma nova disciplina de física: mecânica quântica!
2. Qual é a natureza de luz?
Ondulatória (interferência, difração...)
Afinal, qual é a natureza de luz? Dual:
Corpuscular (absorção, emissão...)
Em algumas circunstâncias, a luz
exibe natureza ondulatória
Podemos atribuir, então, ao luz as grandezas
ondulatórias: comprimento de onda λ ,
frequência f=c/λ .
2. Qual é a natureza de luz?
Porém, quando a luz interage com a matéria, ela exibe natureza corpuscular !!!
Luz = conjunto de fótons, “pacotes da energia” concentrados no espaço !
Portanto, podemos atribuir a luz
grandezas corpusculares também:
Energia: E= h·f
Momento: p= h/λ
(relações de Broglie)
Intensidade da luz ̴ número de fótons !
h= 6.62606957 × 10-34 m2 kg / s
Constante de Planck
(assinatura da mecânica quântica)
Então, em nível atomístico, matéria
interage (emite, absorve, espalha...)
com os fótons !!!
3. Como se comporta a matéria no nível atomístico ?
Átomos: um núcleo + elétrons  os níveis da energia dos elétrons são discretos !!!
3. Como se comporta a matéria no nível atomístico ?
Átomos: um núcleo + elétrons  os níveis da energia dos elétrons são discretos !!!
Lítio
Hélio
Átomos diferentes tem arranjo dos níveis diferente !!!
O arranjo dos níveis eletrônicos  identificam o átomo (seu RG) !!!
3. Como se comporta a matéria no nível atomístico ?
Moléculas: vários núcleos + elétrons
diversos modos de movimento !!!
• Rotação da molécula:
A separação entre os níveis rotacionais
da energia é na faixa de micro-ondas.
• Vibração da molécula:
A separação entre os níveis vibracionais
é na faixa de infravermelho.
• Excitação eletrônica:
A separação entre os níveis eletrônicos
da energia é na faixa de visível ou
ultravioleta.
3. Como se comporta a matéria no nível atomístico ?
Sólidos: muitos núcleos + muitos elétrons
Níveis discretos da energia  desdobram-se em bandas de energia !!!
2N elétrons
6N elétrons
2N elétrons
2N elétrons
energia
• Vibrações dos íons fixos na rede cristalina:
separação entre bandas na faixa de infravermelho !
• Excitação do sistema eletrônico:
separação entre bandas na faixa de visível – ultravioleta !
De novo: existem faixas das
energias proibidas para o
elétron !!!
4. Como interagem a matéria e a luz?
... de diversas maneiras, geralmente
complicadas, que dependem da
energia dos fótons e das propriedades
atomísticas da matéria.
4. Como interagem a matéria e a luz?
Caso do hidrogênio ...
Série de
Balmer
emissão
absorção
4. Como interagem a matéria e a luz?
Espectros de absorção – emissão descobrem
a estrutura dos níveis de energia nos átomos.
RG dos átomos !
Como são gravados?
Vejam simulação!
4. Como interagem a matéria e a luz?
As moléculas apresentam tanto espectro de absorção-emissão na região de visível,
quanto o mesmo na região das energias do infravermelho (calor) !!!
Se alguma frequência especifica seria
absorvida ou não, depende da estrutura
dos níveis da energia !
Fato importante: para poder absorver – emitir qualquer fóton, a molécula tem
que possuir o momento de dipolo elétrico !!!
Razão:
No momento de interação com a radiação, a molécula interage com
seu momento de dipolo elétrico com o campo elétrico da luz !!!
Consequência: Moléculas diatômicas compostas dos mesmos átomos não são
capazes de absorver – emitir os fótons !!!
4. Como interagem a matéria e a luz?
Nos materiais sólidos, devido a
existência das bandas de energia,
espectros de absorção-emissão
consistem das faixas contínuas
de frequências (ou compr. de ondas).
A figura demonstra que no processo de absorção-emissão dos fótons , o sólido
absorve os fótons de mais alta energia (azul) e emite os fótons de menor energia:
nesse caso os fótons de visível (vermelho) + fótons de infravermelho (calor).
5. Explicação do efeito estufa
Composição da atmosfera da Terra:
78 % de nitrogênio (N2)
21 % de oxigênio (O2)
01 % de outras moléculas (Ar, CO, CO2, NH4,...)
Quais dessas moléculas causam efeito estufa?
+ água (H2O) nas nuvens !
Vejam simulação!
5. Explicação do efeito estufa
Conclusões:
1. Quase 100 % de atmosfera é transparente para a luz visível que vem do Sol.
2. Mais de 99 % de atmosfera é transparente para o calor emitido da Terra.
3. Menos de 1 % de atmosfera consiste de moléculas que absorvem e reemitem o calor.
Exatamente estas moléculas causam efeito estufa: CO, CO2, CH4, O3, H2O ...
Próxima pergunta: como aumento de presença
dessas moléculas na atmosfera influencia
temperatura média na superfície da Terra?
Vejam simulação !
5. Explicação do efeito estufa
Sumário de conclusões:
Data de hoje
Ano 1750
Era do Gelo
Temp. média: 15-16 0C
Temp. média: 13-14 0C
Temp. média: 2-3 0C
CO2 : 388 ppm
CH4: 1.843 ppm
N2O: 0.317 ppm
CO2 : 280 ppm
CH4: 0.730 ppm
N2O: 0.270 ppm
CO2 : 180 ppm
CH4: 0.380 ppm
N2O: 0.215 ppm
Presença de nuvens abaixa a temperatura média, principalmente devido a reflexão
da luz visível das nuvens.
Conclusão: a temperatura média do nosso planeta depende drasticamente da
concentração de gases da estufa na atmosfera !!!
Embaixo das placas do vidro a temperatura aumenta drasticamente:
Sem vidro ̴ --19 0C
1 camada de vidro: ̴ 29-30 0C
2 camadas de vidro: ̴ 55-56 0C
3 camadas de vidro: ̴ 87-88 0C
Fim !!!
Obrigado pela sua atenção !
Simulações: phet.colorado.edu/