Disciplina: ACA 225 - Licenciatura em Geociências Prof Fabio L T Gonçalves E-mail: fgoncalv@model.iag.usp.br

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. 

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 Choque com um planeta proximo ao tamanho de Marte e formação da Lua

http://zebu.uoregon.edu/internet/l2.html

TERRA Heterogênea e dinâmica Sucessivas diferenciações após a acresção 1- Fusão do Fe e formação do núcleo terrestre 2- 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 3- Água na Terra e as marés

A primeira atmosfera (se é que existiu...): Composição: provavelmente H2 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

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, 1993 http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/first_billion_years/first_billion_years.html

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 N2 , CH4 e H2 Nota-se que não há emissão de O2 (oxigênio livre) http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/first_billion_years/first_billion_years.html

Composição Atmosférica de outros planetas

Origem dos oceanos Ao final do período de acreção, com o resfriamento da superfície da Terra (há 4,6 Ga), 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.

APÓS A DIFERENCIAÇÃO INTERNA  T do planeta  condensação de H2O com absorção de CO2  enriquecimento relativo em N2  início do ciclo da água, carregando para os oceanos o CO2 da atmosfera e o Ca do intemperismo das rochas da crosta continental,  deposição de calcários nos fundos marinhos

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), formado por bacterias há 3,5 -3,7 Ga. Assim, a vida deve ter se originado entre 4 e 3,5 Ga.

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

E o oxigênio? Uma importante questão é como foi processada a adição de O2 livre na atmosfera, que hoje é da ordem de ~21%. A produção do oxigênio: Dissociação fotoquímica

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 O2. http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/samson/evolution_atm/index.html#evolution

2. Fotossíntese A maior produção de oxigênio se deu pelo processo de fotossíntese: 6CO2 + 6H2O <--> C6H12O6 + 6O2 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 CO2 da atmosfera e liberação de O2 em quantidade (primeiro lixo da biosfera)

Estromatólito do Proterozóico Inferior, Bolívia Estromatólitos Estromatólito do Proterozóico Inferior, Bolívia Uma das definições mais aceitas atualmente caracteriza os estromatólitos como estruturas organo-sedimentares produzidas pelo aprisionamento, retenção e/ou precipitação de sedimentos resultante do crescimento e da atividade metabólica de microorganismos, principalmente cianofíceas (“algas” verdes-azuis, bacterias) Walter, M. R. 1976. Glossary of selected terms. In Walter, M. R. (ed.), Stromatolites. Developments in Sedimentology, 20: 687-692.

Estromatólito atual Australia

Estromatólitos Estromatólitos (desde 3,7 Ga): testemunhos da atividade de cianobactérias, fotossintetizadoras, que provocam a precipitação de CaCO3 (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.

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 http://www.dme.wa.gov.au/ancientfossils/sharkbay2.jpg.

Produção X Consumo de O2 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 O3 na alta atmosfera (registros biológicos).

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 O2 e em O3 atingiu os níveis “normais” (entre 20 e 30%)

diminuição de CO2 e aumento de O2 e O3 Composição e Evolução principal traço da evolução: diminuição de CO2 e aumento de O2 e O3 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 O2 em quantidades importantes)

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).

Acumulação de oxigênio produzido

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

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)

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=http://www.kgs.ku.edu/Images/DB/index.html Program updated Nov. 11, 2004. Photos added periodically

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 http://www.agso.gov.au/education/factsheet/ironform.html.

Evolução da Composição da atmosfera terrestre

Composição da Atmosfera, Ciclos Biogeoquímicos e Tempos de Residência

Composição média da Atmosfera H2O Argonio 20% 78% 1% Oxigênio Nitrogênio CO2 CH4 (1.8) ppm 380 Ne 18 He (5) N2O 310 H2 CO 500 100 30 ppb HCHO 300 Etano SO2 NOx 500 200 100 ppt NH3 400 CH3OOH 700 H2O2 HNO3 outros Ozônio

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

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

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 Toda substância emitida na atmosfera é eventualmente removida, fechando um ciclo dos elementos desta substância – ciclo biogeoquímico. O ciclo biogeoquímico de uma substância refere-se ao seu transporte entre os compartimentos atmosférico, oceânico, biológico e terrestre.

Ciclo da água A água é, quantitativamente, o elemento mais abundante na constituição dos seres vivos. Cerca de 70% do peso do homem é formado por água. Em vista disso, a massa de seres vivos existente em qualquer parte da superfície terrestre é proporciona à disponibilidade de água. Isso significa que em regiões de fortes chuvas a vida é muito mais exuberante e intensa do que em áreas desérticas. A água na natureza pode ser encontrada nos 3 estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Os oceanos e mares constituem cerca de 97% de toda água; 2,25% estão na forma de gelo nas geleiras e nos pólos, e apenas 0,75% estão nos rios, lagos e lençóis freáticos. A maior parte da água da atmosfera está na forma gasosa, ou seja, de vapor. A água encontrada na atmosfera é proveniente da evaporação, da transpiração e da evapotranspiração. A água gasosa da atmosfera ao se acumular e sofrer resfriamento, pode se condensar, dando lugar à formação das nuvens. Ventos podem transportar tanto a água na fase de vapor quanto na forma de nuvem a longas distâncias, de tal forma que a precipitação na forma de chuva ou neve possa ocorrer a longas distâncias do local fonte. A quantidade de água existente na atmosfera não é muito grande, mesmo assim, todo o ciclo da água está fundamentado neste pequeno volume. Nos continentes a evapotranspiração é menor do que a precipitação. Parte dessa pptção escoa superficialmetne em direção aos pontos baixos, o que possibilita a formação de rios e lagos, que por sua vez escoam para o oceano. Outra parte da pptção infiltra no solo renova as águas subterrâneas, ou seja, o lençol freático. O excedente de água dos lençóis pode retornar à superfície, na forma de nascentes. Nos oceanos e mares, a precipitação é menor que a evaporação.

Ciclo do Carbono

Ciclo do Nitrogênio

O ciclo do Enxofre O S apresenta um ciclo que passa entre o ar e os sedimentos, sendo que existe um grande depósito na crosta terrestre e nos sedimentos, e um depósito menor na atmosfera. No reservatório terrestre, os microorganismos têm função preponderante, pois realizam a oxidação ou redução química. Dessas reações, resulta a recuperação do enxofre dos sedimentos mais profundos. Na crosta e na atmosfera, paralelamente, ocorrem processos geoquímicos e meteorológicos, tais como erosão, ação da chuva, além de processos biológicos de produção e decomposição. Os sulfatos constituem a forma mais oxidada, sendo incorporada pelos organismos autótrofos para fazerem parte da constituição das proteínas, pois o enxofre é o constituinte de certos aminoácidos. O SO2 normalmente constitui um passo transitório no ciclo. Na maioria dos ambientes aparece uma concentração relativamente baixa desse composto. Todavia, com o aumento da poluição industrial, cada vez mais são produzidos óxidos de enxofre, que, por sua vez, afetam esse ciclo. Com as emissões industriais, a concentração de automóveis e a queima de carvão nas termoelétricas, o SO2 tem sido encontrado cada vez em maior concentração no ambiente, principalmente em grandes centros urbanos. O aumento da concentração de óxidos de enxofre, além de óxidos de nitrogênio na atmosfera leva à ocorrência da chuva ácida.

Interferência das atividades humanas sobre os ciclos biogeoquímicos

TRANSPORTE, DILUIÇÃO E REAÇÕES QUÍMICAS Processos e compostos envolvidos na poluição do ar. OXIDANTES, METAIS, AEROSSOL, SAIS, COMPOSTOS ORGÂNICOS, E AMÔNIA ATMOSFÉRICOS TRANSPORTE, DILUIÇÃO E REAÇÕES QUÍMICAS EMISSÃO DEPOSIÇÃO SECA DEPOSIÇÃO ÚMIDA REMOÇÃO O3 H2O2 HCOOH HCHO NO2/NO3- SO2/SO42- HIDROCARBONETOS SO2 NO NO2 NH3 PARTÍCULAS H2SO4 HNO3 H2O2 (NH4)2SO4 NH4NO3 MATERIAL PARTICULADO, O3, H2O2, NOX/SO2 (NH4)2SO4 NH4NO3

Poluição atmosférica em centros urbanos Aspectos históricos

A preocupação com o ar que respiramos não é um fenômeno recente 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 (1135-1204)

- Século 13 Carvão substituiu a madeira no uso doméstico e industrial - 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 London Smog

Poluição urbana smog = smoke + fog (poeira + neblina) Queima de carvão (Revolução industrial) – smog sulfuroso ou londrino

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

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

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.

Poluição urbana smog = smoke + fog (poeira + neblina) Queima de carvão (Revolução industrial) – smog sulfuroso ou londrino Queima de combustíveis fosseis (veículos) – smog fotoquímico ou de Los-Angeles

a b a) smog industrial, ou smog cinza, ocorre quando luz solar óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis smog fotoquímico (castanho) industrial (cinzento) Fog ou ar úmido SO2 e MP originados da queima de carvão a 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).

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

Smog fotoquímico Smog fotoquímico em São Paulo (~1990). O gás de cor castanha, NO2, é formado quando o NO, que é um gás incolor, reage com o oxigênio do ar. (P.W. Atkins, “Atoms, Electrons, and Change”, 1991)

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 SO 2 , partículas de fuligem NO x , compostos orgânicos Poluentes secundários H 4 , aerossóis, sulfatos, ácidos sulfônicos, etc. O 3 , HNO , aldeídos, PAN peroxiacetil nitrato), nitratos, sulfatos, etc. Temperatura frio ( £ o C) quente ( ³ 23 Umidade relativa alta, com neblina baixa, quente e seco Tipo de inversão radiação (terra) subsidência Picos de poluição início da manhã início da tarde

URBANIZAÇÃO e INDUSTRIALIZAÇÃO Poluentes atmosféricos: O3 (ozônio) SO2 (dióxido de enxofre) CO (monóxido de carbono) MP (material particulado) NOx (NO + NO2, óxidos de nitrogênio)

O2 Composição química da Atmosfera O3 N2O 310 H2 CO 500 100 30 ppb CO2 CH4 (1.8) ppm 380 Ne 18 He (5) HCHO Etano SO2 NOx ppt NH3 CH3COOH H2O2 HNO3 300 200 400 700 outros H2O Argonio 20% 78% 1% O2 N2 O3 ppm = 10-6 ppb = 10-9 ppt = 10-12

Bibliografia Kasting, 1993: “Earth’s early atmosphere”, Science, 12 fevereiro 1993. Suguio e Suzuki, 2003: A evolucão geológica da Terra e a fragilidade da vida. http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/first_billion_years/first_billion_years.html http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/samson/evolution_atm/index.html#evolution CETESB: Relatório da Qualidade do Ar

Bibliografia C. Baird. “Química Ambiental”, 2a.ed., Bookman, Porto Alegre, 2002. J.C. Rocha, A.H. Rosa, A.A. Cardoso, “Introdução à Química Ambiental”, Bookman, Porto Alegre, 2004. Brasseur, G.P., Orlando, J.J., Tyndall, G.S., Atmospheric Chemistry and Global Change, Oxford University Press, New York, 1999. J.H. Seinfeld e S. N. Pandis, "Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change", John Wiley & Sons, New York, 1998. http://www.abema.org.br/ (Associação Brasileira de Entidades Estaduais de Meio Ambiente) http://www.cetesb.sp.gov.br/ http://www.epa.gov/air/