Universidade Federal de Ouro Preto Departamento de Computação CIC345 Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Professor Tiago G. S.

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1 Universidade Federal de Ouro Preto Departamento de Computação CIC345 Modelagem e Simulação de Sistemas Terrestres Professor Tiago G. S. Carneiro Sistema de Mudanças Químicas na Atmosfera: Chuva Ácida Autor: Lucas Cardoso Gomes Janeiro de

2 Índice 1. Introdução Conceitos Básicos e Processos O Aquecimento Global O Efeito Estufa A Chuva Ácida Modelo em Vensim Modelo em TerraME Análise dos Resultados Conclusão Bibliografia

3 1. Introdução Hoje em dia, muito se tem discutido sobre o aquecimento global, suas causas e seus efeitos no planeta Terra. Sabe-se que um dos seus causadores é o efeito estufa, que é um processo natural da Terra, mas devido a quantidade de poluentes sendo emitidos a todo instante na atmosfera terrestre, esse efeito vem se tornando cada vez mais intenso, aumentando a temperatura da Terra conseideravelmente. O efeito estufa deve seu nome à semelhança com que certos gases atmosféricos agem aquecendo a Terra. Tais gases são denominados de gases estufa e se caracterizam por deixarem passar a radiação que vem do Sol e impedirem a saida da radiação da Terra, em direção ao espaço. O resultado final é o aquecimento cada vez maior da Terra. As principais substâncias que possuem esta propriedade são: o gás carbônico (CO2), o metano (CH4), o óxido nitroso (N2O) e os clorofluor-carbonos (CFCs). Outro fator que contribui com o efeito estufa é a emissão de aerossóis, que além disso, ainda pode afetar o ciclo de fotossíntesi das plantas. Um dos problemas desse aquecimento é a chuva ácida. Esta denominação se refere a uma série de fenômenos que dão como produto uma precipitação ácida. É preciso salientar, entretanto, que a chuva natural, ou seja, não poluída, é, em si, um pouco ácida, devido à presença do gás carbônico natural que, ao se dissolver na umidade atmosférica, gera o ácido carbônico. Será visto então nesse trabalho, uma abordagem superficial sobre a química na atmosfera, objetivando a contrução de um modelo no simulador de sistemas Vensim e reproduzir esse modelo em TerraME, para então fazer as devidas análises e testes, sobre como é formada a chuva ácida e como ela pode aumentar, através de alguns experimentos. Ao final, serão apontadas as conclusões do trabalho, inclusive reportando as maiores dificuldades encontradas. 3

4 2. Conceitos Básicos e Processos 2.1. O Aquecimento Global O Aquecimento global é um fenômeno climático de larga extensão, onde um aumento da temperatura média superficial global que vem acontecendo nos últimos 150 anos. Entretanto, o significado deste aumento de temperatura ainda é objeto de muitos debates entre os cientistas. Causas naturais ou antropogênicas (provocadas pelo homem) têm sido propostas para explicar o fenômeno. A principal evidência do aquecimento global vem das medidas de temperatura de estações metereológicas em todo o globo desde Os dados com a correção dos efeitos de "ilhas urbanas" mostra que o aumento médio da temperatura foi de 0.6 C durante o século XX. Os maiores aumentos foram em dois períodos: 1910 a 1945 e 1976 a (fonte IPCC). Grande parte da comunidade científica acredita que o aumento de concentração de poluentes antropogênicos na atmosfera é causa do efeito estufa O Efeito Estufa O efeito estufa é um fenômeno que sempre existiu e sempre foi um regulador da temperatura da terra. Sem o efeito estufa com certeza as temperaturas médias da Terra seriam muito baixas e dificultaria a existência de muitas formas de vida. Porém, o efeito estufa tem se tornado cada vez mais intenso devido à poluição ambiental provocado pelo homem, através da queima de combustíveis fósseis como derivados de petróleo, carvão e pela queima de matérias orgânicas como madeiras, vegetais e etc. Este efeito estufa indesejável, tem alterado consideravelmente a temperatura do globo. O efeito estufa consiste na retenção de calor por gases como o dióxido de carbono, metano, CFCs e outros. Sendo o principal responsável pelo efeito estufa o dióxido de carbono. Os passos a seguir, explicam o funcionamento do efeito, juntamente com a figura 2.2.1, que ilustra simplificadamente esses passos. 1) Os raios solares atingem a Terra; 2) Parte dos raios refletem na atmosfera (camada mais superior - estratosfera) e retornam para o espaço; 3) Parte dos raios atingem a crosta terrestre (atingem o solo, rios, mares, casas, árvores e etc.); 4) Estes raios aquecem a matéria do solo, rios, mares, casas e etc. e são convertidos em calor pela vibração dos átomos e moléculas; 5) Estes átomos e moléculas aquecidos, emitem raios infravermelhos, os quais não enxergamos; 6) Estes raios infravermelhos não conseguem sair da Terra para o espaço, porque os gases de efeito estufa, principalmente o dióxido de carbono, impedem sua passagem; 7) Sendo assim quanto mais dióxido de carbono na atmosfera mais calor fica retido e a Terra fica mais quente. 4

5 Figura Ilustração dos passos do funcionamento do efeito estufa. A principal conseqüência do efeito estufa, sem dúvida é o aumento da temperatura do globo, causando o degelo das calotas polares. Isso poderá provocar aumento do nível do mar e inundações em regiões litorâneas. Além disso, afeta o clima provocando deslocamentos de ar, como o El Ninho, modificação das estações climáticas e também a chuva ácida A Chuva Ácida Chuva ácida refere-se à deposição úmida de constituintes ácidos, os quais dissolvem-se nas nuvens e nas gotas de chuva para formar uma solução com ph inferior a 5,6. Apesar do termo chuva ácida ter-se generalizado para abranger também a deposição seca de poluentes ácidos gasosos e particulados, a tendência atual é usar a expressão "deposição ácida" para incluir ambas as formas de deposição, ficando o termo chuva ácida realmente limitado à deposição úmida dos compostos ácidos. Desta forma as chuvas ácidas são aquelas cujo ph é acentuadamente inferior a 5. Os dois ácidos predominantes na chuva ácida são o ácido sulfúrico (H2SO4) e o ácido nítrico (HNO3). A chuva ácida geralmente ocorre longe das fontes primárias de produção pois ela é o produto dos gases SO2 e NOx respectivamente (o x significa que poderemos ter diverso valores para este índice). Os gases poluidores que geram a chuva nítrica são o NO e o NO2. Estes gases são produzidos por combustões a altas temperaturas. O nitrogênio do ar se combina com o oxigênio também do ar a estas temperaturas formando ambos os óxidos. A figura ilustra formação do 5

6 ácido nítrico (HNO3). Figura Ilustração das interações dos gases que formam o ácido nítrico (HNO3) na atmosfera. Os principais efeitos da chuva ácida são a destruição dos solos e plantas, a alteração de sistemas aquaticos e a deterioração de edifícios e monumentos. Entretanto, em estudos realizados pela Universidade Aberta da Grã Bretanha (Gauci, V. 2007), foi levantada a hipótese de que a chuva ácida pode reduzir o efeito estufa. A pesquisa descobriu que a chuva ácida, além de destruir florestas e matar peixes, estimula a proliferação de bactérias que competem com aquelas que produzem metano. Mesmo assim, essa pesquisa aponta para os malefícios que a chuva ácida pode trazer, como os citados anteriormente. 6

7 3. Modelo Vensim O modelo em Vensim teve primeiramente como base o diagrama da figura 2.3.1, mas devido a sua grande complexidade e a falta de valores e equações, não foi possível terminá-lo. Porém, em um dos materiais presentes na bibliografia, foram encontradas algumas equações químicas similares ao diagrama citado, sendo estas bem simples e resumidas, sendo então construido o modelo, como mostra a figura 3.1. Entretanto, mesmo tendo essas equações em mãos, faltaram valores para as constantes e para incrementar as variaveis, tornando então um modelo não apropriado para se comparar com a realidade, sendo este apenas um modelo fictício de um sistema atmosférico. Figura 3.1 Modelo de um sistema de mudanças na atmosfera, mostrando a formação de ácido nítrico, resultando na chuva ácida. 7

8 4. Modelo TerraME Devido a falta de dados, tais como fórmulas e valores das variaveis e constantes, ainda não foi possível completar a implementação em TerraME. Mesmo assim, testes vem sendo feitos para tentar adaptar o modelo, com o intuito de termina-lo o quanto antes. 8

9 5. Análise dos Resultados A partir do modelo implementado em Vensim, foram feitos dois experimentos, alterando o valor de duas variáveis: a temperatura e a quantidade de água (no modelo, como H2O). No primeiro experimento, houve um incremento na temperatura para então roda-lo novamente. Foi possível notar a ocorrência de um aumento de óxido nítrico (NO) e de dióxido de carbono (NO2) em relação ao modelo original. Mas mesmo com o aumento desses dois elementos, a incidência de chuva ácida não aumentou consideravelmente, isso por que ela depende diretamente da água (H2O) para ocorrer. No segundo experimento, houve um incremento na quantidade de água do sistema (umidade do ar). Nesse caso, observamos que tanto o NO quanto o NO2 sobem até certo ponto, quando começam a estabilizar e a produção de HNO3 aumenta na mesma intensidade. As figuras 3.2 e 3.3 ilustram os gráficos dos resultados. Figura 3.2 Gráfico resultante do experimento 1. Notemos que NO e NO2 crescem no mesmo ritmo, mas HNO3 cresce num ritmo menor. 9

10 Figura 3.3 gráfico resultante do experimento 2. Todos elementos crescem numa mesma intensidada, onde começam a se estabilizar no final. 10

11 6. Conclusão Chegamos a conclusão que mesmo tendo em mãos ferramentas poderosas para a modelagem, como o Vensim e o TerraME, precisamos ainda ter fórmulas e valores para que o modelo possa ser calibrado com o mundo real, podendo assim ter grande importância em estudos e pesquisas. Houveram grandes dificuldades na realização desse trabalho, devido, primeiramente, a falta de material referente ao tema, dificultando o entendimento e construção de modelos. E mesmo em materiais relacionados, o não entendimento de fórmulas e equações químicas também foram uma barreira para concluir o trabalho. 11

12 7. Bibliografia Química da Atmosfera, disponível em: projeto chuva ácida, disponível em: química e o meio ambiente, disponível em: O efeito estufa e a chuva ácida, disponível em: O efeito estufa, disponível em: Marcondes, S., A chuva ácida pode desacelar o efeito estufa, em: Pereira, M.A. Fundamental, mas pouco conhecido. Disponível em: Agência Estado, 2007 Química da atmosfera, em: IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change, disponível em: Gauci, V. Estudo sobre a chuva ácida. Universidade Aberta da Grã-Bretanha,