Evolução da atmosfera terrestre (contribuição: Alessandro Santos Borges)

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1 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 fornaro@model.iag.usp.br

2 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?

3 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

4 Composição química da atmosfera

5 Composição do ar atmosférico seco ao nível do mar: Gás % volume Nitrogênio N 2 78,084 Oxigênio O 2 20,948 Argônio Ar 0,934 Dióxido de carbono CO 2 0,033* Neônio Ne 0,00182 Hidrogênio H 2 0,0010 Hélio He 0,00052 Metano CH 4 0,0002* Criptônio Kr 0,0001 Monóxido de carbono CO 0,00001* Xenônio Xe 0, Ozônio O 3 0,000002* Amônia NH 3 0, Dióxido de nitrogênio NO 2 0, * Dióxido de enxofre SO 2 0, * * Gases traço de importância ambiental.

6 A atmosfera atual Desconsiderando a umidade, a composição percentual média dos constituintes atmosféricos ao nível do mar é atualmente: Nitrogênio (N 2 ) - 78,084% Oxigênio (O 2 ) - 20,948% Argônio (Ar) - 0,934% Gás carbônico (CO 2 ) - 0,031% Neônio (Ne) - 0,001818% Hélio (He) - 0,000524% Metano (CH 4 ) - 0,0002% Kriptônio (Kr) - 0,000114% Hidrogênio (H 2 ) - 0,00005% Xenônio (Xe) - 0, % Também há traços de : Óxidos de nitrogênio (NO, NO 2 e N 2 O) Monóxido de carbono (CO) Ozônio (O 3 ) Amônia (NH 3 ) Dióxido de enxofre (SO 2 ) Sulfeto de hidrogênio (H 2 S)

7 Origem e evolução da composição química da atmosfera terrestre

8 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

9 Características das atmosferas atuais de Vênus, Terra e Marte. Terra antes da presença de vida 0,98 1 traços Temperatura ( o C) 400 a a a 25 ~85

10 Evolução química e biológica da vida e evolução da atmosfera terrestre Tempo aproximado em anos atual Eventos importantes Seres humanos Evolução provável da atmosfera Evolução biológica (3 bilhões de anos) 0,5 bilhão 1 bilhão 2 bilhões 3 bilhões? Plantas, répteis, pássaros, peixes (começo da vida na Terra) Respiração aeróbica? (consumo de O 2 nas células) Fotossíntese (produção de O 2 nas células) primeiras células vivas atual N 2, O 2, CO 2, H 2 O outros gases (traços)?...? Intermediária N 2, CO 2, H 2 O outros gases (traços)?...? Evolução química (1,7 bilhões de anos) 4 bilhões 5 bilhões? primeiros ácidos nucléicos e proteínas Formação da Terra?? Primitiva CH 4, H 2, NH 3, H 2 O outros gases (traços)

11 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 H 2 O, CO 2, N 2 H 2 O CO 2 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.

12 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 N 2 e CO 2. Temperatura e pressão na superfície terrestre: ~85 o C e 11 bars, respectivamente. Destruição fotoquímica do CO 2 aumentou a produção de O e O 2 na atmosfera superior (Kasting, 1990).

13 Atmosfera pre-biótica H 2 CH 4 NH 3 N 2 H 2 S Atmosfera reduzida CO 2 CO H 2 O NO 2 SO 2 Atmosfera oxidada

14 Atmosfera redutora: presença de hidrogênio: FeO + H 2 Fe + H 2 O Contribui para mais água na superfície do planeta e o ferro foi, gradualmente, incorporado para o manto e núcleo quente.

15 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 O 2 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.

16 Formação de O 2 H 2 O + h ½ O 2 + H 2 CO 2 + H 2 O + h O 2 + CH 2 O Consumo de O 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O CO + ½ O 2 CO 2 H 2 S + 2 O 2 H 2 SO 4 H 2 S + ½ O 2 2 H + + S 2- + H 2 O Copyright R. R. Dickerson FeO + ½ O 2 F 2 O 3 camas vermelhas = depósitos de óxidos de ferro (III)

17 hompson & Turk, Earth Science and the Environment, 2ª. Ed., Saunders, Formação das camas vermelhas = depósitos de óxidos de ferro (III) Dissolução do CO 2 e precipitação de calcário (branco) diminuição de CO 2 atmosférico Fotossíntese: liberação de O 2 concentração de O 2 aumenta = precipitação de óxido de ferro (vermelho)

18 Remoção de CO 2 da atmosfera Conforme os oceanos eram formados, grandes quantidades de CO 2 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 CO 2 na atmosfera durante a era Arqueana (2,5 bilhões de anos atrás) foi o umidecimento das rochas, quando ácido carbônico (produzido quando CO 2 dissolve na nuvem) carregado pela água da chuva reage com o silicato contido nos minerais.

19 Evolução da composição química da atmosfera: primitiva atual

20 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 40 o C e 0,1 a 1 bars, respectivamente.

21 Nível de CO 2 na superfície Oxigênio, ozônio e CO 2 Nível de O 2 na superfície ou abundância da coluna de O 3

22 Oxigênio e ozônio 100% 10% 1% Nível de O 2 na superfície ou abundância da coluna de O 3 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).

23 Evolução biótica Fermentação C 6 H 12 O 6 (aq) 2 C 2 H 3 OH (aq) + 2 CO 2 (g) + energia glucose etanol Respiração anaeróbica Bactérias metagênicas 4 H 2 (g) + CO 2 (g) CH 4 (g) + 2 H 2 O (aq) Nitrogênio molecular NH 3 (g) + h N (g) + 3 H (g) N (g) + N (g) N 2 (g) Até que O 2 fosse suficiente para absorver radiação e assim, impedindo a fotólise de NH 3 Denitrificação Composto orgânico + NO 3 - CO 2 (g) + NO Composto orgânico + NO 2 - CO 2 (g) + N 2 (g)

24 Evolução biótica Fotossíntese Por algas azuis, verdes e amarelas CO 2 (g) + H 2 S (g) + h CH 2 O (aq) + H 2 O (aq) + 2 S (g) Fotossíntese produtora de enxofre ou ANOXIGÊNICA não produz O 2 Fotossíntese produtora de O 2 6CO 2 (g) + 6 H 2 O (aq) + h Respiração C 6 H 12 O 6 (aq) + 6 O 2 (g) C 6 H 12 O 6 (aq) + 6 O 2 (g) 6CO 2 (g) + 6 H 2 O (aq) + energia Produz energia mais eficientemente do que a fermentação ou respiração anaeróbica

25 Remoção de CO 2 da atmosfera CO 2 pode ter sido também removido da atmosfera por microorganismos fotossintéticos presentes no oceano, antes de ser convertido em sedimentos de carbonato de cálcio (CaCO 3 ). 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.

26 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 Fe 2 O 3 ) e compostos carbonáceos biogenicamente precipitados (CaCO 3 e CaMg(CO 3 ) 2 ) na crosta terrestre.

27 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.

28 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 CO 2 e N 2 Paradoxo do Sol jovem": Efeito estufa conserva o calor mesmo com reduzida energia solar Advento da vida nos oceanos CO 2 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

29 O oxigênio na atmosfera Camada de ozônio O 2 + h O + O O 2 + O O 3 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.

30 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 O 3 * depende de colisões, as quais geralmente ocorrem a baixas altitudes. A associação de efeitos significa a formação máxima de ozônio na estratosfera.

31 Nível de CO 2 na superfície Oxigênio, ozônio e CO 2 Nível de O 2 na superfície ou abundância da coluna de O 3

32 Oxigênio e ozônio Nível de O 2 na superfície ou abundância da coluna de O 3 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).

33 Ozônio na Atmosfera Camada de ozônio Estratosfera Aumento do ozônio devido poluição Troposfera Concentração de ozônio

34 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 0 o C 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.

35 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 CO 2 requerida para compensar a reduzida luminosidade solar no passado permanece especulativa, mas pode ter sido 600 vezes maior que o presente nível atmosférico.

36 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 CH 4, NH 3, H 2 e H 2 O contidas em um recipiente fechado de vidro.

37 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 (NH 3 ) e metano (CH 4 ) podem não ter estado presente na atmosfera primitiva. Além disso, mesmo que CH 4 e NH 3 fossem lançados dos vulcões, eles teriam sido apenas constituintes menores da atmosfera, pois eles facilmente sofreriam fotólise.

38 Origem da vida Porém, é possível que a atmosfera fracamente redutora contendo CO 2, N 2, e traços de CO e H 2 tenha tido papel importante no surgimento da vida. Reações fotoquímicas podem ter gerado formaldeído (CH 2 O 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.

39 Origem da vida Uma possibilidade, é a de que moléculas orgânicas podem ter sido introduzidas na Terra por bombardeamento de micrometeoritos.

40 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.

41 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

42 Remoção de CO 2 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 = g Ao longo dos períodos geológicos, a quantidade de CO 2 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).

43 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.

44 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 N 2, O 2, CH 4, N 2 O e NH 3 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.

45 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.

46 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.

47 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.

48 Ciclo do carbono

49 Ciclo do nitrogênio

50 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.

51 Referências da Internet Niel Brandt's Astronomy 1 Page: Astronomical Universe Earth's Early Years: Differentiation, Water and Early Atmosphere first_billion_years.html History of Earth The Beginning of Life and Amphiphilic Molecules: an Introduction Software: Gravity and Galaxies Simulation Stephen Brooks's Website: Software: Celestia