Disciplina: ACA 225 - Licenciatura em Geociências

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

2. 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.  Ementa

3. 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

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

5. TERRAHeterogênea 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. Composição Atmosférica de outros planetas

10. 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.

11. 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

12. 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 gregostrôma, "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.

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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)

17. 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.

18. Estromatólito atual Australia

19. 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.

20. 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.

21. 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).

22. 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 ozôniocomeçou a formar-se (filtragemdaradiação UV) porvolta de 500 Ma (inícioda era Paleozóica), torna-se possível a ocupação continental pelavida somentehácerca de 400 Ma o teorem O2 e em O3atingiuosníveis “normais” (entre 20 e 30%)

23. 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)

24. 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).

25. Acumulação de oxigênio produzido

26. Indícios geológicos de presença de oxigênio na atmosferaRochas sedimentares oceânicas e continentais(tema Ciclo geológico externo)

27. Indícios geológicos e histórico da evolução do oxigênio na atmosferaDatações dos materiais terrestres e interpretações dos processos geológicos envolvidos(Tempo Geológico - datação relativa e absoluta)

28. 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.htmlProgram updated Nov. 11, 2004. Photos added periodically

29. 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.

30. Evolução da Composição da atmosfera terrestre

31. Composição da Atmosfera, Ciclos Biogeoquímicos e Tempos de Residência

32. CH3OOH 700 H2 500 H2O2 500 Nitrogênio 78% Etano 500 CO2 380 NH3 400 310 N2O HCHO 300 HNO3 300 Ne 200 SO2 CO 100 Oxigênio 20% 100 NOx He (5) 18 outros 1% CH4 (1.8) 30 H2OArgonio ppb ppt ppm Composição média da Atmosfera Ozônio

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

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

35. 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

36. Ciclo da água

37. Ciclo do Carbono

38. Ciclo do Nitrogênio

39. O ciclo do Enxofre

41. Interferência das atividades humanas sobre os ciclos biogeoquímicos

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

43. Poluição atmosférica em centros urbanos Aspectos históricos

44. 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)

45. - 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

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

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

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

49. 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.

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