Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias
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Disciplina: ACA 225 - Licenciatura em Geociências . Prof Fabio L T Gonçalves E-mail: [email protected] 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. .

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Disciplina: ACA 225 - Licenciatura em Geociências

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Presentation Transcript


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

Disciplina: ACA 225 - Licenciatura em Geociências

Prof Fabio L T Gonçalves

E-mail: [email protected]


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. 

Ementa


Forma o da atmosfera e do oceano

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


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

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


Terra heterog nea e din mica

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


A primeira atmosfera se que existiu

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 secund ria

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

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


Composi o atmosf rica de outros planetas

Composição Atmosférica de outros planetas


Origem dos oceanos

Origem dos oceanos

Ao final do período de acresção, 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.


Ap s a diferencia o interna

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

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 3,8 e 3,5 Ga.


Composi o e evolu o da atmosfera

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 oxig nio

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 dissocia o fotoqu mica

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 fotoss ntese

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)


Estromat litos

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.


Estromat lito atual australia

Estromatólito atual Australia


Estromat litos1

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.


Estromat litos2

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.


Produ o x consumo de o 2

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 evolu o do o na atmosfera

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%)


Composi o e evolu o

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)


Evolu o da atmosfera

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).


Acumula o de oxig nio produzido

Acumulação de oxigênio produzido


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

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


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

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)


Ind cios geol gicos sobre o oxig nio na atmosfera

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


Ind cios geol gicos sobre o oxig nio na atmosfera1

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.


Evolu o da composi o da atmosfera terrestre

Evolução da Composição da atmosfera terrestre


Composi o da atmosfera ciclos biogeoqu micos e tempos de resid ncia

Composição da Atmosfera, Ciclos Biogeoquímicos e Tempos de Residência


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

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


Quais os elementos presentes na atmosfera

Quais os elementos presentes na atmosfera?

Nitrogênio

Oxigênio

Carbono

Hidrogênio

Enxofre

Gases Nobres: He, Ne, Ar


E quais os principais elementos dos seres vivos

E quais os principais elementos dos seres vivos?

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS (CICLAGEM DE NUTRIENTES)

Nutrientes = elementos essenciais aos seres vivos


Ciclo biogeoqu mico

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


Ciclo da gua

Ciclo da água


Ciclo do carbono

Ciclo do Carbono


Ciclo do nitrog nio

Ciclo do Nitrogênio


O ciclo do enxofre

O ciclo do Enxofre


Interfer ncia das atividades humanas sobre os ciclos biogeoqu micos

Interferência das atividades humanas sobre os ciclos biogeoquímicos


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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.


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Poluição atmosférica em centros urbanos

Aspectos históricos


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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)


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- 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


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

smog = smoke + fog

(poeira + neblina)

Poluição urbana

Queima de carvão (Revolução industrial) –

smog sulfuroso ou londrino


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

Smog sulfuroso

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


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

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


Smog de los angeles

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.


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

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


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

Fog ou ar úmido

smog

industrial

(cinzento)

luz solar

smog

fotoquímico

(castanho)

SO2 e MP

originados da

queima de carvão

óxidos de nitrogênio e

compostos orgânicos voláteis

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).


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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.


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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)


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Comparação entre as características gerais da

POLUIÇÃO DO AR

Sulfurosa (Londres) e

Fotoquímica (Los Angeles, São Paulo)

(

Finlayson-Pitts &

Pitts, 1986).

Características

Sulfurosa

Fotoquímica

(Londres)

(Los Angeles, São Paulo)

reconhecimento

século 19

século 20 (década de 40)

Poluentes primários

SO

, partículas de

NO

, compostos

2

x

fuligem

orgânicos

Poluentes

H

SO

, aerossóis,

O

, HNO

, aldeídos, PAN

2

4

3

3

secundários

sulfatos, ácidos

(

peroxiacetil nitrato),

sulfônicos, etc.

nitratos,

sulfatos, etc.

o

o

Temperatura

£

³

frio (

2

C)

quente (

23

C)

Umidade relativa

alta, com neblina

baixa, quente e seco

Tipo de inversão

radiação (terra)

subsidência

Picos de poluição

início da manhã

início da tarde


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URBANIZAÇÃO e INDUSTRIALIZAÇÃO

Poluentes atmosféricos:

O3 (ozônio) SO2 (dióxido de enxofre)

CO (monóxido de carbono) MP (material particulado)

NOx (NO + NO2, óxidos de nitrogênio)


Disciplina aca 225 licenciatura em geoci ncias

700

CH3COOH

H2

500

500

H2O2

N2

500

78%

Etano

CO2

380

400

NH3

310

N2O

300

HCHO

300

HNO3

Ne

200

SO2

CO

100

O2

100

He (5)

NOx

18

20%

O3

CH4 (1.8)

30

outros

1%

H2OArgonio

ppt

ppm

ppb

ppt = 10-12

ppm = 10-6

ppb = 10-9

Composição química da Atmosfera


Bibliografia

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


Bibliografia1

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/


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