Sensoriamento Remoto do Clima Milton Kampel Ministério da Ciência e Tecnologia Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais 1
Ozônio Essencial para a vida na Terra O 3 Bom x Mau Molécula instável formada por 3 atómos de Oxigênio (O) Embora represente apenas uma pequena fração da atmosfera, é vital para a vida na Terra Dependendo de onde se localize, pode proteger ou prejudicar a vida na Terra Basicamente, o ozônio encontra-se na estratosfera Camada da atmosfera entre 10 e 40 km de altitude Funciona como um escudo de proteção contra a radiação ultravioleta prejudicial do sol Milton Kampel SRClima 2
Introdução O 3 Bom x Mau Com o enfraquecimento deste escudo, ficamos mais suscetíveis a: Câncer de pele, catarata e comprometimento do sistema imunológico Na troposfera (até 10 km), o ozônio é um poluente prejudicial que pode causar doenças no tecido pulmonar e nas plantas Níveis relativos do ozônio em outubro 1998. Fonte: Total Ozone Mapping Spectrometer Earth Probe (TOMS EP). Baixos níveis aparecem mais transparentes (em azul) enquanto altos níveis aparecem opacos (branco) Milton Kampel SRClima 3
Balanço O 3 Estratosfera x Troposfera As quantidades de O 3 "bom" estratosférico e O 3 mau" troposférico na atmosfera dependem do equilíbrio entre os processos que geram ozônio e aqueles que o destroem Um desequilíbrio no balanço de O 3 pode ter sérias consequências para a vida na Terra Estudos científicos já apontaram evidências de mudanças nos níveis de O 3 O "mau" O 3 troposférico vem aumentando no ar que respiramos O "bom" O 3 estratosférico tem diminuído na camada protetora Vamos ver processos que regulam os níveis de O 3 bom Milton Kampel SRClima 4
Balanço na Estratosfera Na estratosfera, o O 3 é gerado essencialmente a partir da radiação ultravioleta Quando raios UV de alta-energia atingem moléculas comuns de O 2, a separam em 2 atómos de O (Oxigênio atômico) O átomo de O liberado se combina com outra molécula de O 2 formando a molécula de O 3 Há tanto oxigênio em nossa atmosfera, que estes raios UV de alta energia são completamente absorvidos na estratosfera Milton Kampel SRClima 5
Altura relativa das camadas atmosféricas Animação mostrando atmosfera exterior termosfera e exosfera Milton Kampel SRClima 6
Formação do Ozônio Ver também animação Milton Kampel SRClima 7
O 3 e Radiação UV O ozônio é extremamente valioso, uma vez que absorve boa parte da energia ultravioleta Quando uma molécula de O 3 absorve radiação UV (mesmo de baixa energia), divide-se em uma molécula de oxigênio normal e um átomo de oxigênio livre Normalmente, este átomo de oxigênio livre rapidamente se re-une com uma molécula de O 2 para formar outra molécula de O 3 Devido a esse ciclo O 3 -O 2 a radiação UV prejudicial é continuamente convertida em calor Milton Kampel SRClima 8
Outras reações na estratosfera Uma vez que os átomos livres de oxigênio e ozônio são altamente instáveis, reagem facilmente com: Nitrogênio, Hidrogênio, Cloro e compostos de Bromo encontrados naturalmente na atmosfera Liberados de fontes continentais e oceânicas Átomos de cloro podem converter ozônio em moléculas de oxigênio e essa perda se compensa com a produção gerada pelos raios UV de altaenergia que colidem com moléculas de O 2 Milton Kampel SRClima 9
Outras variações Os níveis de O 3 também variam periodicamente em função de ciclos regulares naturais como: Estações do ano, regime de ventos e oscilações solares de mais longo-período Erupções vulcânicas também podem injetar materiais na estratosfera que podem levar a aumento da destruição de O 3 Milton Kampel SRClima 10
Processos naturais Balde furado Ao longo da vida da Terra, os processo naturais tem regulado o balanço de O 3 na estratosfera ~Balde furado O 3 Enquanto a água é despejada no balde a uma mesma taxa que vaza para fora, a quantidade ou nível da água permanecerá constante Enquanto o ozônio for criado a uma mesma taxa que é destruído, o total permanecerá o mesmo. Milton Kampel SRClima 11
Atividades antrópicas Começando na década de 1970, observou-se que as atividades humanas estavam perturbando o equilíbrio natural do O 3 Produção de compostos químicos contendo Cloro introduziram fator adicional para destruição da camada de ozônio CFC clorofluocarbonos, compostos de cloro, fluor e carbono, formam moléculas extremamente estáveis. Não reagem facilmente com outros compostos químicos na baixa atmosfera Uma das poucas forças que podem quebrar as moléculas de CFC é a radiação UV Milton Kampel SRClima 12
CFC Radiação UV Na baixa atmosfera, os CFC s estão protegidos da radiação UV pela própria camada de O 3 Assim, conseguem migrar intactos para a estratosfera Mesmo sendo mais pesados que o ar, correntes atmosféricas e processo de mistura os carregam para cima Na estratosfera, não estão mais protegidos da radiação UV pela camada de O 3 Molécula de CFC é quebrada pela radiação UV solar e libera átomos de Cloro Milton Kampel SRClima 13
Destruição do Ozônio - CFC Os átomos livres de Cloro reagem com as moléculas de O 3 usando um átomo de oxigênio para formar monóxido de cloro e deixando uma molécula de oxigênio comum Destruição do Ozônio Milton Kampel SRClima 14
CFC Destruição do Ozônio Se cada átomo de Cloro liberado de uma molécula de CFC destruisse somente uma molécula de O 3, os CFC s representariam uma ameaça muito pequena para a camada de O 3 Entretanto, quando uma molécula de monóxido de cloro encontra um átomo livre de O, este quebra a molécula aprisionando o O e liberando o Cloro de volta para a estratosfera, onde volta a destruir mais ozônio Esta reação ocorre repetidamente, de modo que um único átomo de Cloro atua como um catalisador destruindo várias moléculas de O 3 Milton Kampel SRClima 15
Lavando a alma - chuva Felizmente, os átmos de Cloro não permanecem para sempre na estratosfera Quando reagem com outros gases, como metano (CH 4 ), é ligado a uma molécula de cloreto de hidrogênio (HCl) Esta pode ser removida da estratosfera para a troposfera E dali, ser lavada pela chuva Milton Kampel SRClima 16
Recuperação da Camada de Ozônio Se pararmos de lançar CFC s e outros compostos químicos destruidores de ozônio na estratosfera, a camada de O 3 pode eventualmente se recuperar Milton Kampel SRClima 17
Destruição da Camada de Ozônio Este termo ozone depletion significa mais do que somente a destruição natural do O 3 Indica que a PERDA é maior que a GERAÇÃO Balde furado Injetando mais compostos destruidores de O 3, como CFC, na atmosfera é como aumentar o tamanho dos furos no balde de ozônio Estes furos maiores fazem aumentar o vazamento a uma taxa mais rápida do que o O 3 pode ser criado Assim, o nível do ozônio protetor da radiação UV diminui Milton Kampel SRClima 18
Química Polar Antártica e Ártico Nos últimos ~15/20 anos, um mecanismo adicional foi observado em áreas sobre a Antártica e o Ártico que rapidamente destroem o O 3 Durante o inverno, a estratosfera resfria intensamente formando nuvens polares estratosféricas (PSCs) Na estratosfera polar, quase todo o Cloro está na forma inativa ou em gases reservatórios, como HCl e nitrato de cloro (ClONO 2 ) Estes nao reagem com O 3 ou entre eles Entretanto, reações químicas destes gases podem ocorrer na superfície de partículas das PSCs Convertendo o cloro dos gases em formas muito reativas que rapidamente destroem O 3 Milton Kampel SRClima 19
Buraco de Ozônio Esta química polar nas partículas de nuvens estratosféricas tem causado grandes diminuições nas concentrações de O 3 sobre Ártico e Antártica Os níveis de O 3 caem tão baixo durante a primavera austral que os cientistas descrevem o fenômeno como Buraco de Ozônio na Antártica Milton Kampel SRClima 20
Buraco de Ozônio Níveis de ozônio medidos pelo TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) Satélite Total Ozone Mapping Spectrometer Earth Probe em construção (Fonte: TRW) Milton Kampel SRClima 21
Monitorando O 3 Desde anos 1920, o O 3 tem sido medido por instrumentos de campo Os instrumentos são colocados em regiões espalhadas pelo globo para medir a radiação UV que atravessa a atmosfera e chega na superfície da Terra A partir dessas medidas, é calculada a concentração de O 3 na atmosfera em cada local Ainda que úteis para o conhecimento sobre o O 3, esses dados não são capazes de nos mostrar uma figura adequada das concentrações globais Milton Kampel SRClima 22
Distribuição do O 3 na Estratosfera Quantidade e distribuição de moléculas de O 3 na estratosfera variam muito ao redor do globo As moléculas são transportadas pela estratosfera tanto quanto moléculas de água na troposfera Assim, observando flutuações do O 3 em um único ponto não permite concluir se as alterações também ocorrem em escala global Milton Kampel SRClima 23
Monitorando O 3 por Satélite Satélites fornecem uma visão do que ocorre diariamente ao redor de toda a Terra Programa dos EUA é tocado conjuntamente pela NASA e NOAA Medições de distribuições sazonais, por latitude, longitude e mudanças de longo-período nos últimos 20 anos Vários satélites e instrumentos, sendo constantemente aprimorados/sofisticados Milton Kampel SRClima 24
Monitorando O 3 por Satélite O 3 estratosférico tem sido esgotado mundialmente Parcialmente, devido às atividades humanas Sabe-se que grande perda de O 3 nos polos é resultado direto da ação de compostos químicos de origem antrópica Mas, ainda não se sabe quantificar a perda nas latitudes médias que é devida a atividade antrópica ou resultante de flutuações nos ciclos naturais Milton Kampel SRClima 25
Prevendo Níveis de O 3 Medições e estudos são desenvolvidos para melhorar os modelos de previsão dos níveis de O 3 De fato, mesmo os modelos iniciais já ajudaram os tomadores de decisão a determinarem soluções ao problema de deterioração da camada de ozônio Diante da possibilidade dos CFCs estarem causando sérios danos, foi assinado o Protocolo de Montreal em 1987 limitando sua produção e uso Em 1992, com aumento das evidências do buraco de ozônio, este Protocolo foi reforçado Milton Kampel SRClima 26
Protocolo de Montreal A revisão recomendou uma completa suspensão da produção de CFC em países desenvolvidos a partir de 1996 As concentrações de CFC ao redor do globo tem diminuido lentamente Milton Kampel SRClima 27
Papel do SR Muito ainda tem que ser aprendido sobre os processos que afetam a concentração de O 3 Para se dispor de modelos precisos, deve-se estudar simultaneamente todos os fatores que afetam a geração e a destruição de O 3 Recomenda-se realizar estudos globais, a partir do espaço, por muitos anos Milton Kampel SRClima 28
Dados - Modelos O Programa EOS (Earth Observing System) da NASA fornece dados úteis para esses estudos Instrumentos que medem interações na atmosfera que afetam o ozônio Missão AURA (Atmospheric chemistry) - OMI (Ozone Monitoring Instrument) - http://aura.gsfc.nasa.gov/instruments/omi.html Herança: TOMS, SBUV, GOME, SCIAMACHY, GOMOS Milton Kampel SRClima 29
Exemplos Ozone Hole Watch - http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/ 25/JUL/2010 Área máxima do buraco de ozônio 10/09/2000 Finte:TOMS/NASA-GSFC Milton Kampel SRClima 30
Obrigado pela atenção! milton@dsr.inpe.br Milton Kampel SRClima 31