Efeito estufa: como acontece, por que acontece e como influencia o clima do nosso planeta

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Texto

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Efeito estufa: como acontece, por

que acontece e como influencia o

clima do nosso planeta

Prof. Dr. Milan Lalic

Departamento de Física

Universidade Federal de Sergipe

XXII Encontro Sergipano de Física

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Resumo

• O efeito estufa se refere à situação no qual a luz visível do Sol passa através de algum meio transparente sendo absorvida pelos objetos, mas o mesmo meio não deixa a luz infravermelha, re-irradiada pelos mesmos objetos, de escapar. Acumulação da radiação infravermelha (calor) leva a elevação da temperatura resultante. Manifestações do efeito estufa são várias: desde aquecimento do interior do carro deixado no Sol até o aquecimento global e mudanças climáticas do nosso planeta.

Para que alguém entendesse a causa do efeito estufa, porém, precisa ter um bom nível de conhecimento da mecânica quântica, uma das mais complexas áreas de física. Objetivo dessa palestra é de aproximar esse assunto para o público que ainda não atingiu este nível. Portanto,

serão introduzidos alguns conceitos da mecânica quântica em nível popular. Serão discutidos assuntos que envolvem natureza de luz, diferenças entre vários tipos da radiação eletromagnética, maneiras como essa radiação interage com átomos (ou moléculas) e como os últimos absorvem e liberam a energia da radiação. Depois disso, o público terá bastante ingredientes para entender o que causa efeito estufa, como esse efeito se manifesta e como se pode lidar e manipular com suas consequências.

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Plano de palestra

1. Introdução: o que é efeito estufa e como se manifesta ?

2. Qual é a natureza de luz?

3. Como se comporta matéria no nível atomístico? 4. Como interagem a matéria e a luz?

5. Explicação do efeito estufa.

motivação principal da palestra:

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O efeito estufa se refere à situação no qual a luz visível do Sol

passa através de algum meio transparente sendo absorvida

pelos objetos, mas o mesmo meio não deixa a luz

infravermelha, re-irradiada pelos mesmos objetos, de escapar.

Acumulação da radiação infravermelha (calor) causa a elevação

da temperatura resultante.

1. O que é efeito estufa e como se manifesta

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1. O que é efeito estufa e como se manifesta

Exemplo 1: carro exposto diretamente ao Sol.

1. Luz visível entra no interior do carro através dos vidros. 2. O interior absorve energia do luz visível e irradia calor.

3. Grande parte do calor não atravessa os vidros e fica prezo no carro.

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1. O que é efeito estufa e como se manifesta

Exemplo 1: carro exposto diretamente ao Sol.

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1. O que é efeito estufa e como se manifesta

Exemplo 2: jardim solar.

Única maneira de que habitantes dos países não-trópicos tenham frutas e vegetais frescos durante o inverno. (além de importação do Brasil ou outros países tropicais)

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1. O que é efeito estufa e como se manifesta

Exemplo 2: jardim solar.

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1. O que é efeito estufa e como se manifesta

Exemplo 3: o clima temperado do nosso planeta.

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1. O que é efeito estufa e como se manifesta

Exemplo 3: o clima temperado do nosso planeta.

• Se a Terra fosse um corpo negro ideal, temperatura média seria 5.3 0C.

• Com 30% da luz Solar refletida para o espaço, temperatura média seria – 18 0C.

• Temperatura média atual da Terra é 14 0C.

• Diferença entre –18 e +14 0C é graças o efeito de estufa.

Algumas contas aproximadas:

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Como e por que ocorre efeito estufa?

Questão fundamental:

Por que o vidro e a atmosfera estão transparentes para radiação visível e não estão transparentes para radiação infravermelha (calor) ?

Respostas:

• Por causa das propriedades específicas dos dois meios no nível atomístico. • Por causa da interação específica entre matéria e radiação no nível atomístico.

Motivação dessa palestra

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2. Qual é a natureza de luz?

Antiga Grécia: luz consiste de feixe de partículas !

Século XVII

Newton: natureza particular  propagação retilínea Huygens: natureza ondulatória  desvia obstáculos

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2. Qual é a natureza de luz?

Século XIX:

1801: Thomas Young  experiência da fenda dupla

1873: James Clerk Maxvell  onda eletromagnética se move com velocidade da luz 1887: Heinrick Hertz  detectou experimentalmente onda eletromagnética

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2. Qual é a natureza de luz?

Século XX: surgiram 3 experiências famosas

Radiação do corpo negro Efeito fotoelétrico

Efeito Compton

... que não podiam ser explicadas assumindo natureza ondulatória da luz! Física clássica sofreu a derrota, e começaram de surgir primeiras ideias que logo fundaram uma nova disciplina de física: mecânica quântica!

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2. Qual é a natureza de luz?

Afinal, qual é a natureza de luz? Dual:

Ondulatória (interferência, difração...) Corpuscular (absorção, emissão...) Em algumas circunstâncias, a luz

exibe natureza ondulatória

Podemos atribuir, então, ao luz as grandezas ondulatórias: comprimento de onda λ ,

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2. Qual é a natureza de luz?

Porém, quando a luz interage com a matéria, ela exibe natureza corpuscular !!!

Portanto, podemos atribuir a luz grandezas corpusculares também:

h= 6.62606957 × 10-34 m2 kg / s

Constante de Planck

(assinatura da mecânica quântica)

Então, em nível atomístico, matéria interage (emite, absorve, espalha...) com os fótons !!!

Luz = conjunto de fótons, “pacotes da energia” concentrados no espaço !

Energia: E= h·f

Momento: p= h/λ (relações de Broglie) Intensidade da luz ̴ número de fótons !

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3. Como se comporta a matéria no nível atomístico ?

Átomos: um núcleo + elétrons  os níveis da energia dos elétrons são discretos !!!

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3. Como se comporta a matéria no nível atomístico ?

Lítio Hélio

Átomos diferentes tem arranjo dos níveis diferente !!!

O arranjo dos níveis eletrônicos  identificam o átomo (seu RG) !!!

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3. Como se comporta a matéria no nível atomístico ?

Moléculas: vários núcleos + elétrons

diversos modos de movimento !!!

• Rotação da molécula:

A separação entre os níveis rotacionais da energia é na faixa de micro-ondas. • Vibração da molécula:

A separação entre os níveis vibracionais é na faixa de infravermelho.

• Excitação eletrônica:

A separação entre os níveis eletrônicos da energia é na faixa de visível ou

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3. Como se comporta a matéria no nível atomístico ?

Sólidos: muitos núcleos + muitos elétrons

• Vibrações dos íons fixos na rede cristalina:

separação entre bandas na faixa de infravermelho ! • Excitação do sistema eletrônico:

separação entre bandas na faixa de visível – ultravioleta !

Níveis discretos da energia  desdobram-se em bandas de energia !!!

2N elétrons

6N elétrons 2N elétrons 2N elétrons

De novo: existem faixas das energias proibidas para o elétron !!!

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4. Como interagem a matéria e a luz?

... de diversas maneiras, geralmente

complicadas, que dependem da

energia dos fótons e das propriedades atomísticas da matéria.

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4. Como interagem a matéria e a luz?

Caso do hidrogênio ...

Série de Balmer

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4. Como interagem a matéria e a luz?

Espectros de absorção – emissão descobrem a estrutura dos níveis de energia nos átomos.

Como são gravados? Vejam simulação!

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4. Como interagem a matéria e a luz?

As moléculas apresentam tanto espectro de absorção-emissão na região de visível, quanto o mesmo na região das energias do infravermelho (calor) !!!

Se alguma frequência especifica seria absorvida ou não, depende da estrutura dos níveis da energia !

Fato importante: para poder absorver – emitir qualquer fóton, a molécula tem que possuir o momento de dipolo elétrico !!!

Razão: No momento de interação com a radiação, a molécula interage com seu momento de dipolo elétrico com o campo elétrico da luz !!! Consequência: Moléculas diatômicas compostas dos mesmos átomos não são

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4. Como interagem a matéria e a luz?

Nos materiais sólidos, devido a existência das bandas de energia, espectros de absorção-emissão consistem das faixas contínuas

de frequências (ou compr. de ondas).

A figura demonstra que no processo de absorção-emissão dos fótons , o sólido absorve os fótons de mais alta energia (azul) e emite os fótons de menor energia: nesse caso os fótons de visível (vermelho) + fótons de infravermelho (calor).

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5. Explicação do efeito estufa

Composição da atmosfera da Terra: 78 % de nitrogênio (N2)

21 % de oxigênio (O2)

01 % de outras moléculas (Ar, CO, CO2, NH4,...)

+ água (H2O) nas nuvens !

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5. Explicação do efeito estufa

Conclusões:

1. Quase 100 % de atmosfera é transparente para a luz visível que vem do Sol. 2. Mais de 99 % de atmosfera é transparente para o calor emitido da Terra.

3. Menos de 1 % de atmosfera consiste de moléculas que absorvem e reemitem o calor.

Exatamente estas moléculas causam efeito estufa: CO, CO2, CH4, O3, H2O ...

Próxima pergunta: como aumento de presença dessas moléculas na atmosfera influencia

temperatura média na superfície da Terra?

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5. Explicação do efeito estufa

Sumário de conclusões: Data de hoje Temp. média: 15-16 0C CO2 : 388 ppm CH4: 1.843 ppm N2O: 0.317 ppm Ano 1750 Temp. média: 13-14 0C CO2 : 280 ppm CH4: 0.730 ppm N2O: 0.270 ppm Era do Gelo Temp. média: 2-3 0C CO2 : 180 ppm CH4: 0.380 ppm N2O: 0.215 ppm

Presença de nuvens abaixa a temperatura média, principalmente devido a reflexão da luz visível das nuvens.

Embaixo das placas do vidro a temperatura aumenta drasticamente: Sem vidro ̴ --19 0C

1 camada de vidro: ̴ 29-30 0C

2 camadas de vidro: ̴ 55-56 0C

3 camadas de vidro: ̴ 87-88 0C

Conclusão: a temperatura média do nosso planeta depende drasticamente da concentração de gases da estufa na atmosfera !!!

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Fim !!!

Obrigado pela sua atenção !

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Referências

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