Disciplina: Física da Terra e do Universo para Licenciatura em Geociências

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1 Disciplina: Física da Terra e do Universo para Licenciatura em Geociências 18 de maio de 2010 Profa. Rita Yuri Ynoue ritaynoue@model.iag.usp.br

2 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. Programa Movimento da Terra e órbitas planetárias. Sistemas de coordenadas e sistemas de referência. Deslocamentos da superfície da Terra e de massas de ar na atmosfera. Tempo e clima. Áreas de aplicação da meteorologia e sua importância no cotidiano. Física ondulatória e seu papel no estudo de meios elásticos. Estrutura térmica da Terra e de outros corpos do sistema solar. Condução térmica no interior da Terra. Estrutura térmica da atmosfera terrestre. Fenômenos de convecção no interior da Terra e na atmosfera terrestre. Física moderna: estrutura do átomo, isótopos e radioatividade natural.

3 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. Programa Movimento da Terra e órbitas planetárias. Sistemas de coordenadas e sistemas de referência. Deslocamentos da superfície da Terra e de massas de ar na atmosfera. Tempo e clima. Áreas de aplicação da meteorologia e sua importância no cotidiano. Física ondulatória e seu papel no estudo de meios elásticos. Estrutura térmica da Terra e de outros corpos do sistema solar. Condução térmica no interior da Terra. Estrutura térmica da atmosfera terrestre. Fenômenos de convecção no interior da Terra e na atmosfera terrestre. Física moderna: estrutura do átomo, isótopos e radioatividade natural.

4 Tentativa de Cronograma Aula Data Conteúdo 1 18/5 Histórico - Evolução e Composição da Atmosfera 2 20/5 Temperatura 3 27/5 Temperatura 4 1/6 Umidade 5 8/6 Umidade 6 10/6 Pressão 7 15/6 Pressão 8 17/6 Vento 9 22/6 Vento 10 24/6 Prova 11 29/6 Revisão da Prova

5 Evolução da Atmosfera Terrestre

6 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

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8 TERRA Heterogênea e dinâmica Sucessivas diferenciações após a acresção 1 a - fusão do Fe e formação do núcleo 2 a - 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

9 A primeira atmosfera (se é que existiu...): Composição: provavelmente H 2 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

10 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, _billion_years/first_billion_years.html

11 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 N 2 e H 2 Kasting questiona emissões de NH 3 (amônia) e CH 4 (metano) Nota-se que não há emissão de O 2 (oxigênio livre) ars.html

12 Composição Atmosférica de outros planetas

13 Origem dos oceanos Ao final do período de acresção, com o resfriamento da superfície da Terra (há 4,3Ga), 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.

14 APÓS A DIFERENCIAÇÃO INTERNA T do planeta condensação de H 2 O com absorção de CO 2 enriquecimento relativo em N 2 início do ciclo da água, carregando para os oceanos o CO 2 da atmosfera e o Ca do intemperismo das rochas da crosta continental, deposição de calcários nos fundos marinhos

15 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) há 3,5 Ga. Assim, a vida deve ter se originado entre 3,8 e 3,5 Ga.

16 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

17 E o oxigênio? Uma importante questão é como foi processada a adição de O 2 livre na atmosfera, que hoje é da ordem de ~21%. A produção do oxigênio: 1. Dissociação fotoquímica

18 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 O 2. olution_atm/index.html#evolution

19 2. Fotossíntese A maior produção de oxigênio se deu pelo processo de fotossíntese: 6CO 2 + 6H 2 O <--> C 6 H 12 O 6 + 6O 2 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 CO 2 da atmosfera e liberação de O 2 em quantidade (primeiro lixo da biosfera)

20 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) Walter, M. R Glossary of selected terms. In Walter, M. R. (ed.), Stromatolites. Developments in Sedimentology, 20:

21 Estromatólito atual Australia

22 Estromatólitos Estromatólitos (desde 3,5 Ga): testemunhos da atividade de cianobactérias, fotossintetizadoras, que provocam a precipitação de CaCO 3 (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.

23 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

24 Produção X Consumo de O 2 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 O 3 na alta atmosfera (registros biológicos).

25 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 O 2 e em O 3 atingiu os níveis normais

26 Composição e Evolução principal traço da evolução: diminuição de CO 2 e aumento de O 2 e O 3 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 O 2 em quantidades importantes)

27 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).

28 Acumulação de oxigênio produzido

29 Indícios geológicos de presença de oxigênio na atmosfera Rochas sedimentares oceânicas e continentais (tema Ciclo geológico externo)

30 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)

31 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= Program updated Nov. 11, Photos added periodically

32 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

33 Evolução da Composição da atmosfera terrestre CO 2 N 2 (78%) N 2 O 2 (20%) H 2 O CO 2 caráter ácido e redutor caráter oxidante

34 Homo erectus...

35 Evolução do impacto ambiental ao longo dos anos Época Consumo de Principais fontes Uso Impacto ambiental energia diário per capita (kcals) AC Alimentos; força Vida diária Mínimo humana AC Alimentos; fogo; ferramentas simples AC Animais; agricultura DC Vento, água, carvão, moinhos, roda d água DC Carvão, máquinas a vapor DC Combustíveis fósseis, energia nuclear, combustão interna em máquinas, eletricidade Aquecimento; cozimento de alimentos; caça Transportes; agricultura; construção Operações mecânicas; bombas de água; serralherias; moagem de grãos; transporte Operações mecânicas; processos industriais; transporte Operações mecânias; processos industriais; transporte; desenvolvimento social e cultural 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 Local, regional e grande; começamas maiores mudanças na paisagem; poluição do ar e da água comuns em áreas industriais Local; regional e global; permanente e talvez irreversíveis deteriorações do ar, solo e água em escala global; chuva ácida; efeito estufa; buraco de ozônio; aumento da turbidez atmosférica

36 Composição da Atmosfera, Ciclos Biogeoquímicos e Tempos de Residência

37 Composição média da Atmosfera CH 3 OOH 700 Nitrogênio Oxigênio H 2 O Argonio 78% 20% 1% CO 2 Ne He (5) CH 4 (1.8) ppm H 2 N 2 O 310 CO Ozônio ppb H 2 O Etano HCHO 300 HNO SO 2 NO x outros 500 NH ppt

38 Quais os elementos presentes na atmosfera? Nitrogênio Oxigênio Carbono Hidrogênio Enxofre Gases Nobres: He, Ne, Ar

39 E quais os principais elementos dos seres vivos? CICLOS BIOGEOQUÍMICOS (CICLAGEM DE NUTRIENTES) Nutrientes = elementos essenciais aos seres vivos

40 Qual o histórico destes elementos?

41 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

42 Ciclo da água

43 Ciclo do Carbono

44 Ciclo do Nitrogênio

45 O ciclo do Enxofre

46 Interferência das atividades humanas sobre os ciclos biogeoquímicos

47 Processos e compostos envolvidos na poluição do ar. OXIDANTES, METAIS, AEROSSOL, SAIS, COMPOSTOS ORGÂNICOS, E AMÔNIA ATMOSFÉRICOS O 3 H 2 O 2 HCOOH HCHO NO 2 /NO 3 - SO 2 /SO 4 2- TRANSPORTE, DILUIÇÃO E REAÇÕES QUÍMICAS REMOÇÃO HIDROCARBONETOS SO 2 NO NO 2 NH 3 PARTÍCULAS EMISSÃO DEPOSIÇÃO SECA MATERIAL PARTICULADO, O 3, H 2 O 2, NO X /SO 2 (NH 4 ) 2 SO 4 NH 4 NO 3 DEPOSIÇÃO ÚMIDA H 2 SO 4 HNO 3 H 2 O 2 (NH 4 ) 2 SO 4 NH 4 NO 3

48 Poluição atmosférica em centros urbanos Aspectos históricos

49 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 ( )

50 - Século 13 Carvão substituiu a madeira no uso doméstico e industrial London Smog - Século 17 It is horrid smoke which obscures our Church and 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. John Evelyn

51 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 Número de óbitos em excesso 1930 Vale do Meuse, Bélgica Donora, Pensilvânia Londres Londres 700

52 Smog sulfuroso O episódio de poluição atmosférica em Londres, 1952: relação entre concentração de fumaça e óbitos

53 Episódio de poluição atmosférica em Londres, 1962: confirmado a presença de aerossóis contendo sais de sulfato e ácido sulfúrico

54 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.

55 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

56 smog industrial (cinzento) Fog ou ar úmido SO 2 e MP originados da queima de carvão a luz solar óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis smog fotoquímico (castanho) b 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).

57 Smog na Cidade do México, devido localização geográfica e tráfego veicular. Donora, Pensilvânia - em outubro de 1944 foi cenário de um grande desastre de poluição de ar.

58 Smog fotoquímico Smog fotoquímico em São Paulo (~1990). O gás de cor castanha, NO 2, é formado quando o NO, que é um gás incolor, reage com o oxigênio do ar. (P.W. Atkins, Atoms, Electrons, and Change, 1991)

59 Comparação entre as características gerais da POLUIÇÃO DO AR Sulfurosa (Londres) e Fotoquímica (Los Angeles, São Paulo) (Finlayson-Pitts & Pitts, 1986). Características Sulfurosa (Londres) Fotoquímica (Los Angeles, São Paulo) reconhecimento século 19 século 20 (década de 40) Poluentes primários SO2, partículas de fuligem NOx, compostos orgânicos Poluentes secundários H2SO4, aerossóis, sulfatos, ácidos sulfônicos, etc. O3, HNO3, aldeídos, PAN (peroxiacetil nitrato), nitratos, sulfatos, etc. Temperatura frio ( 2 o C) quente ( 23 o 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

60 URBANIZAÇÃO e INDUSTRIALIZAÇÃO Poluentes atmosféricos: O 3 (ozônio) SO 2 (dióxido de enxofre) CO (monóxido de carbono) MP (material particulado) NO x (NO + NO 2, óxidos de nitrogênio)

61 Composição química da Atmosfera CH 3 COOH 700 N 2 O 2 H 2 O Argonio 78% 20% 1% CO 2 Ne He (5) CH 4 (1.8) ppm H 2 N 2 O 310 CO O ppb H 2 O 2 Etano NH HCHO 300 HNO SO NO 100 x outros ppt ppm = 10-6 ppb = 10-9 ppt = 10-12

62 Bibliografia Kasting, 1993: Earth s early atmosphere, Science, 12 fevereiro Suguio e Suzuki, 2003: A evolucão geológica da Terra e a fragilidade da vida. rent/lectures/first_billion_years/first_billion_years.html rent/lectures/samson/evolution_atm/index.html#evoluti on CETESB: Relatório da Qualidade do Ar

63 Bibliografia C. Baird. Química Ambiental, 2a.ed., Bookman, Porto Alegre, J.C. Rocha, A.H. Rosa, A.A. Cardoso, Introdução à Química Ambiental, Bookman, Porto Alegre, Brasseur, G.P., Orlando, J.J., Tyndall, G.S., Atmospheric Chemistry and Global Change, Oxford University Press, New York, J.H. Seinfeld e S. N. Pandis, "Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change", John Wiley & Sons, New York, (Associação Brasileira de Entidades Estaduais de Meio Ambiente)