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Efeito estufa e aquecimento global

uma abordagem interdisciplinar para o ENEM

pré-requisito: espectro eletromagnético

A ideia chave é a seguinte: a radiação do sol, composta essencialmente por luz visível e UV, é reemitida pela superfície da terra na forma de uma radiação menos energética (ou seja com menor frequência) : na forma de IV (raios infravermelhos). A diferença em energia entre a radiação absorvida e a reemitida corresponde ao aquecimento sofrido pela Terra neste processo. O detalhe é que o IV já não consegue atravessar de volta a atmosfera, como ocorreu com a radiação incidente do Sol. Os IV são absorvidos (e em seguida reemitidos) por gases que estão na atmosfera (gases de efeito estufa). Dessa forma eles são emitidos de volta à Terra (invés de escaparem para o espaço), causando aquecimento.

Explicarei em mais detalhes a seguir. Diagramas são essenciais para entender esta ideia, e em particular diagramas de Sankey. Estes são bastante usados para ilustrar fluxos de energia entre muitas outras coisas. Perceba que a largura das setas corresponde à quantidade de energia envolvida no processo:

 

Vamos focar nas setas verdes do diagrama. Elas ilustram que parte da energia solar recebida pela Terra na forma de radiação UV e luz, é reemitida na forma de IV . A seta A representa a energia reemitida pela atmosfera e a seta B representa a parte que é perdida para o espaço. Com o aumento da quantidade de gases de efeito estufa, a seta A é incrementada e a seta B diminui. Ou seja, mais energia térmica (calor) é aprisionada no planeta.


Perceba que uma parte da radiação solar é refletida de volta para o espaço pela atmosfera na forma de luz (por isso podemos ver imagens do planeta desde o espaço, satélites e tal). Outra parte é espalhada e confere a cor azul ao céu. Por isso vemos o Sol amarelo. Se não houvesse atmosfera, para subtrair certas frequências, o Sol seria visto branco.

 

É importante perceber que o efeito estufa é necessário para nossa sobrevivência. Se ele não existisse o planeta seria frio demais para sustentar a vida como a conhecemos, pois muito do calor recebido pela Terra seria devolvido ao espaço. O problema é que com o aumento das quantidades de gases de efeito estufa na atmosfera (como CO2, metano, água e outros devido a atividades humanas) o nível de aquecimento aumenta muito e como consequência a temperatura se torna muito alta (lembrar que calor e temperatura não são a mesma coisa).

 

O planeta Vênus é um exemplo extremo de efeito estufa, com temperaturas de 460 °C na superfície (suficiente para derreter o chumbo).


O modelo da estufa

Modelos são usados na ciência para simplificar um tema de modo a torná-lo mais tratável (ou mais entendível – understandable). Outro exemplo de modelo é tratar os elétrons orbitando o núcleo do átomo como planetas orbitando o Sol: existem diferenças fundamentais mas também muito em comum.

Uma estufa (chamada greenhouse em inglês por ser usada para plantas) é uma casinha de vidro, normalmente usada em agricultura nos países mais frios. Países frios também possuem dias ensolarados durante o inverno, mas devido aos ventos esse calor escapa facilmente. Uma casinha de vidro transparente permite que a luz do Sol entre e portanto que haja aquecimento. Como ela é fechada completamente (embora possua umas janelas basculantes que podem ser abertas em caso de muito calor) o aquecimento é mantido. Tomates , por exemplo, podem ser cultivados durante o inverno europeu.

No modelo do efeito estufa o vidro faz o papel da atmosfera terrestre, mantendo o calor internamente. Perceba que tanto o vidro como a atmosfera refletem para fora uma parte (pequena) da radiação solar recebida (ver diagrama acima).



As quantidades relativas de gases atmosféricos precisam estar em limites bem estritos

Pequenas flutuações nas porcentagens dos gases de efeito estufa na atmosfera causam aumentos de temperatura substanciais. É fascinante como o planeta conseguiu manter a sua temperatura aproximadamente constante durante centenas de milhões de anos, de modo que pudesse haver a evolução da vida.


O oxigênio, por exemplo, que é um componente essencial da atmosfera, já que é necessário para a respiração, encontra-se na porcentagem de aproximadamente 20%. Esta tem-se mantido constante ao longo de centenas de milhões de anos. Caso essa porcentagem diminuísse ligeiramente, teríamos dificuldades para respirar (como acontece em lugares muito altos , como La Paz na Bolívia, por exemplo, a capital mais alta do planeta a 4200m ). Caso aumentasse, teríamos problemas com incêndios. Pense que em uma atmosfera com 25% de oxigênio a vegetação molhada poderia incendiar-se: teríamos inúmeros incêndios devido a tempestades com raios, por exemplo. Isto causaria também um aumento do CO2, do efeito estufa, haveria mais calor, mais incêndios….

Em conclusão, é fantástico que a Terra consiga manter seus níveis de gases (e portanto sua temperatura) , salinidade do mar, e muitos outros parâmetros constantes ao longa da sua história. Mecanismos complexos regulam todos estes sistemas de maneira integrada. É algo similar à homeostase de seres vivos: quando se está com calor se sua para abaixar a temperatura, quando cai o nível de água no sangue sentimos sede...…. Por isso pode-se tratar todo o planeta como um ser vivo gigantesco, chamado de Gaia, segundo a obra de James Lovelock (esta teoria sensacional é escrita em seu livro: Gaia: um Novo Olhar Sobre a Vida na Terra).

A teoria Gaia tem sido usada também na busca de vida em outros planetas: simplesmente analisando as atmosferas destes pode-se inferir quais processos ocorrem. Planetas mortos tipicamente possuem atmosferas como a de Vênus, onde predomina o CO2. Uma atmosfera com vários gases em equilíbrio (como a nossa) sugere a presença de vida.

Efeito estufa: a runaway reaction

Runaway é o termo usado em inglês para aquelas reações químicas que aceleram rapidamente e de maneira descontrolada, como por exemplo aquela que libera calor e ocorre em um reator fechado: quanto mais quente mais rápida é a reação (a cada 10ºC de aumento de temperatura a velocidade de reação dobra). Veja exemplo aqui (vídeo em inglês: animação sobre a explosão em fábrica de aditivos para gasolina na Florida-EUA- https://www.youtube.com/watch?v=C561PCq5E1g&t=403s).


O efeito estufa apresenta a gravidade de tais reações pois ele também se auto acelera. Perceba que devido à complexidade dos sistemas físico-químicos e biológicos integrados no planeta, uma modificação afeta todo o equilíbrio. Vamos analisar 2 efeitos de auto aceleração, ou melhor, de feedback positivo:


1) diminuição da solubilidade de CO2 na água com o aumento de temperatura .Este é um efeito comum a todos os gases. Portanto, o aumento de temperatura causado pelo aumento da concentração de Co2 na atmosfera faz com que esta aumente mais ainda. O co2 deixa os oceanos e vai para a atmosfera, agravando o problema, fazendo com que ainda mais CO2 deixe os oceanos…


2) Diminuição do albedo decorrente do derretimento de geleiras. Albedo, que em latim quer dizer brancura, refere-se à capacidade de uma superfície para refletir a luz. Sabemos que superfícies brancas refletem mais luz do que as mais escuras. Por isso, em um dia de sol, sentimos mais calor vestindo uma camiseta preta.

O albedo do planeta, portanto, é reduzido com o derretimento de gelo e neve. Com a redução da brancura do planeta, mais calor (devido à radiação solar) é absorvido, menos é refletido, e portanto a temperatura aumenta ainda mais…

Abaixo mostro um vídeo mudo de 20s (produzido pelo Instituto Polar da Noruega) ilustrando o conceito de albedo terrestre :



Aumento dos níveis dos oceanos

Um dos problemas causados pelo efeito estufa, e consequentemente o aquecimento global, e que assusta bastante no momento, é o aumento dos níveis dos oceanos.

Existem pelo menos 2 fatores que contribuem para isso: o derretimento das geleiras e a dilatação (expansão térmica) da água.

A água, como qualquer outro material sofre dilatação térmica. Por exemplo, um volume de mil litros e água, se aquecido de 10ºC, aumenta para 1002,14 litros.

Cálculo:

usando-se a fórmula dilatação = volume inicial * coeficiente de expansão volumétrica*diferença de temperatura, temos:

dilatação = 1000* 0,000214*10 = 2,14


Para a gasolina a dilatação é ainda maior, devido aseu coeficiente mais alto: 0,000950.Para o caso acima calculado para a água a dilatação seria de 9,5 litros. Portanto é melhor você ir abastecer seu carro em um dia frio.



Gelo : pedras que flutuam

A água na forma sólida flutua na sua forma líquida? Sim! Quer dizer que há uma expansão durante o resfriamento! Algo bastante peculiar. Mais>>