Introdução à Química/Efeito estufa

Introdução

O Sol é a principal fonte de energia do planeta Terra. A energia é absorvida sob a forma de radiação eletromagnética e emitida na faixa do infravermelho, principalmente entre 4µm e 100 µm, com uma distribuição espectral próxima daquela de um corpo negro (-18 °C). Sabendo que a temperatura da Terra é cerca de 15°C, essa diferença de 33°C é causada devido o efeito estufa natural, sem o qual muito provavelmente não haveria vida como conhecemos. A Terra funciona, portanto, como um irradiador de infravermelho que iria todo para o espaço, não fosse a presença de gases na atmosfera que absorvem grande parte dessa radiação e, consequentemente, aquecem-na. Em Marte, por exemplo, cuja atmosfera é muito rarefeita, a temperatura média na superfície é de -53 °C, somente 3 °C acima da temperatura de irradiação de -56 °C (obtida a partir do espectro de emissão por comparação com o de um corpo negro). A capacidade da atmosfera de captar e retransmitir a energia emitida pela superfície da Terra é a característica definidora do efeito estufa. Nas estufas agrícolas, a retenção do calor e consequente aquecimento do ambiente é resultado de um bloqueio físico, que impede o escape do ar quente. Na grande estufa que é a Terra, o mecanismo é bem mais complexo e está relacionado às propriedades físico-químicas dos gases estufa . Como podemos observar na Figura 1, a atmosfera terrestre é praticamente transparente à radiação solar. Parte da radiação é absorvida pela superfície para geração de calor. Outra parte da radiação é refletida na forma de radiação infravermelha, que é parcialmente absorvida pelos gases estufa, aquecendo a zona inferior da atmosfera e a superfície.

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Representação esquemática do equilíbrio radiativo terrestre, indicando os fluxos de energia entre a superfície terrestre, atmosfera e espaço

Gases estufa

Os dois gases mais abundantes na atmosfera, o nitrogênio (que compreende 78% da atmosfera seca) e oxigênio (que compreende 21%), exercem quase nenhum efeito estufa. Em vez disso, o efeito estufa é causado por moléculas mais complexas e pouco comuns, os chamados gases estufa. Eles são os constituintes gasosos da atmosfera, tanto naturais quanto antrópicos, que por sua natureza química, principalmente estrutura molecular, absorvem uma fração significativa da radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre. O infravermelho corresponde à radiação eletromagnética que interage com moléculas, mudando sua configuração, especialmente por meio de vibrações dos átomos em ligações intramoleculares. O comprimento de onda em que uma absorção/emissão ocorre depende das massas relativas dos átomos, bem como das constantes de força das ligações. Os átomos de uma molécula não permanecem fixos uns em relação aos outros; na realidade, eles vibram em torno de uma posição média. Se essas vibrações causarem mudança no momento dipolar da molécula, ela será ativa no infravermelho, isto é, absorverá e emitirá radiação infravermelha. Essa absorção implica em um aumento nos movimentos vibracionais e rotacionais das moléculas. Essa radiação se espalha em várias direções, inclusive retornando à superfície, que se mantém mais quente do que seria na ausência da atmosfera. O aumento do teor desses gases na atmosfera em decorrência de atividades humanas pode causar uma exacerbação do efeito estufa e, conseqüentemente, um aquecimento global do planeta , , .

Vários componentes do sistema climático, notadamente os oceanos e seres vivos, afetam as concentrações de gases estufa na atmosfera. Um bom exemplo disso são as plantas que retiram o CO₂ da atmosfera através da fotossíntese e os oceanos que servem como sumidouros do CO₂ atmosférico. Além disso, na era industrial, as atividades humanas aumentaram significativamente as emissões de gases estufa, através da queima de combustíveis fósseis e principalmente desmatamento de florestas. O vapor de água (H₂O), dióxido de carbono (CO₂), óxido nitroso (N₂O), metano (CH₄) e ozônio (O₃) são os principais gases estufa na atmosfera da Terra. Além disso, há uma série de gases de efeito estufa totalmente antrópicos na atmosfera, como os halocarbonos que são uma classe de espécies orgânicas que contém halogênios (ex: clorofluorcarbonos, CFCs) e têm altos potenciais de causar efeito estufa e também são envolvidos na destruição da camada de ozônio .

Principais gases estufa

• Vapor de água: naturalmente presente na atmosfera, possui um alto potencial de efeito estufa. O conteúdo de água da atmosfera é alterado através da precipitação e depende do local e da estação. Ao mesmo tempo varia constantemente através da evaporação, de forma destacada por mares, lagos, rios. Outras fontes de vapor de água incluem a combustão, respiração, erupções vulcânicas, a transpiração de plantas, e vários outros processos biológicos e geológicos.

• Dióxido de carbono: tem sido apontado como o grande vilão da exacerbação do efeito estufa, sendo o principal gás que afeta o equilíbrio radiativo da Terra, já que sua presença na atmosfera decorre, em grande parte, de atividades humanas como a queima de combustíveis fósseis e o desmatamento. Além disso, é naturalmente emitido pelo metabolismo dos seres vivos, principalmente na respiração, por vulcões, fontes termais e gêiseres.

• Metano: Este hidrocarboneto pode advir de processos naturais ou antrópicos. Geralmente tem origem em processos de extração e utilização de combustíveis fósseis, plantações de arroz, esgotos domésticos, aterros sanitários e da queima de biomassa como principais fontes de atividade humana e naturalmente proveniente de pântanos, cupins, oceano, decomposição anaeróbia e metabolismo de ruminantes. A sua reação com óxidos de nitrogênio na presença de luz tem como produto o ozônio e sua reação com o radical hidroxila resulta na formação de vapor de água. O ozônio troposférico e o vapor de água são significativos gases estufa.

• Óxido nitroso: Sua origem pode ser natural (principalmente pela ação dos microorganismos nos solo e oceanos) ou antrópica (queima de carvão e de outros combustíveis fósseis em motores a explosão, queima de biomassa, uso de adubos nitrogenados, produção de ácido adípico (nylon), produção de ácido nítrico). Possui um potencial de efeito estufa cerca de 310 vezes comparado ao gás carbônico.

• Ozônio: Esse gás também absorve a radiação infravermelha refletida pela superfície terrestre, embora seu papel principal esteja relacionado com sua presença na camada de ozônio, bloqueando parte da radiação ultravioleta do sol. Cerca de 90% do total de ozônio reside na estratosfera. O ozônio não é emitido diretamente pelas atividades humanas, mas é formado como produto de reações na atmosfera de diferentes compostos orgânicos voláteis com óxidos de nitrogênio. Combustíveis fósseis e da queima de biomassa óxidos de libertação de nitrogênio por monóxido de carbono e metano, que levar a um aumento no ozônio troposférico.

• Clorofluorcarbonetos (CFCs): são produtos químicos sintéticos que são usados como propelentes em aerossóis, em sistemas de ar-condicionado, na indústria de espuma de plástico e como solventes na indústria de informática e eletrônicos. São um dos principais responsáveis pela destruição da camada de ozônio, sendo compostos formados por moléculas do tipo do metano ou do etano, em que os átomos de hidrogênio foram substituídos por átomos de cloro e flúor e são persistentes e potentes gases estufa; uma molécula de CFC-12, por exemplo, tem o mesmo impacto de cerca de dez mil moléculas de CO₂. A produção, uso e emissão desses gases diminuíram drasticamente muito nos últimos anos, devido a restrições sobre seu uso.

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Principais gases estufa e respectivos potenciais de aquecimento global

Consequência do agravamento do efeito estufa

O Painel Intergovernamental para as Mudanças Climáticas (IPCC) foi criado em 1988 pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente e a Organização Meteorológica Mundial (OMM), com o intuito de: avaliar informações científicas a respeito de mudança do clima; avaliar os possíveis impactos ambientais e socioeconômicos em decorrência da mudança climática. O primeiro relatório realizado pelo IPCC serviu como base para discussão sobre mudanças climáticas na Convenção Quadro da ONU, em 1992, que visava à proteção do sistema climático. Os relatórios publicados pelo IPCC se tornam padrões de referência para legisladores, cientistas e especialistas de diversas áreas de atuação. O aumento significativo das emissões dos gases estufas e consequente crescimento de suas concentrações na atmosfera podem levar a sérias modificações no sistema global, entre as quais estão:

• Elevação do nível de oceanos, causada pela dilatação térmica da água, derretimento de geleiras e degelo de calotas polares. Como consequência, áreas próximas às regiões costeiras serão inundadas e ecossistemas podem sofrer alterações.
• Alteração do clima mundial, com agravamento de fenômenos naturais, como tempestades, furações, ondas de calor e índice de chuvas. Em algumas regiões, estes fenômenos podem crescer e em outras diminuir.
• Modificação significativa na vegetação típica de cada região.
• Aumento nos casos de doenças causadas pela alta concentração de poluentes no ar e proliferação de insetos nocivos e vetores de doenças.

De acordo com os relatórios do IPCC, os aumentos de temperatura que vêm ocorrendo no planeta no século XX provavelmente não são decorrência apenas de fatores naturais — de acordo com o registro climatológico, é possível identificar a influência humana. Porém, como também se conhece, a ocorrência da maioria dos gases estufa é de origem natural, e que suas concentrações variam independentemente da intervenção humana. Um exemplo é a concentração de CO₂ que caiu para 2/3 durante a última era do gelo . O crescimento de emissões de gases deu-se principalmente a partir da metade do século XIX, quando se iniciou a Revolução Industrial, como pode ser observado na figura a seguir.

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Variação das concentrações atmosféricas de importantes gases estufa (dióxido de carbono, metano e óxido nitroso) ao longo dos últimos 2.000 anos .

Há quem diga que o aumento na concentração dos gases estufas, principalmente o CO₂ é proveniente de fontes e ações naturais e que o homem está apenas vivenciando um fenômeno natural e que a Terra esta caminhando para uma possível nova era glacial. O argumento utilizado por cientistas e pesquisadores é que, a partir do momento que o homem começou a queimar combustíveis fósseis e utilizar fontes de energia não renováveis, a concentrações de gases estufas aumentou significativamente e que o clima global está passando por um processo de mudança em virtude destas emissões.

Cenários IPCC

SRES refere-se aos cenários descritos no Relatório Especial do IPCC sobre Cenários de Emissões (SRES, 2000). Os cenários SRES são agrupados em quatro grupos (A1, A2, B1 e B2), que cobrem uma vasta gama de forças motrizes demográficas, econômicas e tecnológicas, que resultam em emissões de GEE (Gases de Efeito Estufa. O cenário A1 assume um mundo de crescimento econômico muito rápido, uma população global que atinge o pico em meio século e rapidamente introduz novas e mais eficientes tecnologias. A1 é dividido em três grupos que descrevem direções alternativas da mudança tecnológica: intensificação do uso de combustíveis fósseis (A1FI), recursos energéticos não-fósseis (A1T) e um equilíbrio entre todas as fontes de energia (A1B). B1 descreve um mundo convergente, com a mesma população global de A1, mas com mudanças mais rápidas nas estruturas econômicas em direção a um serviço e economia da informação. B2 descreve um mundo com um crescimento econômico e populacional intermediário, enfatizando soluções locais para a sustentabilidade econômica, social e ambiental. A2 descreve um mundo muito heterogêneo, com alto crescimento populacional, o desenvolvimento econômico lento e lentas mudanças tecnológicas. Em todos os cenários SRES foi considerado que nenhum evento não esperado ocorreria.

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Modelos de projeções de Circulação Geral de aquecimento da superfície Atmosfera-oceano

Painel esquerdo: As linhas sólidas são modelos de médias globais do aquecimento da superfície (em relação a 1980-1999) para os cenários A2, A1B e B1, mostradas como continuações das simulações século 20. A linha laranja é para o experimento onde as concentrações foram mantidas constantes a partir do ano 2000. As barras ao lado direito do gráfico indicam a melhor estimativa (linha sólida dentro de cada barra) e a faixa provável avaliada para os seis cenários SRES de 2090-2099 em relação a 1980-1999.

Painel direito: Projeção de mudanças de temperatura da superfície do começo e do final do século 21 em relação ao período 1980-1999. Os painéis mostram as projeções médias para os cenários A2 (em cima), A1B (meio) e B1 (baixo) ao longo das décadas 2020-2029 (à esquerda) e 2090-2099 (à direita). Podemos observar que nas três projeções a temperatura média do planeta aumenta com o mesmo perfil. A projeção A2 prevê um maior aumento na temperatura, enquanto A1B propõe um aumento e intermediário e a projeção B1 é a mais conservadora das três, prevendo um menor aumento na temperatura do planeta.