pré-requisito: espectro eletromagnético

O modelo da estufa

Modelos são usados na ciência para simplificar um tema de modo a torná-lo mais tratável (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 há 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 o calor do Sol entre e não saia muito facilmente. Como ela é fechada completamente (embora possua umas janelas basculantes que podem ser abertas em caso de muito calor e para permitir a entrada de gás carbônico como ingrediente para a fotossíntese) o aquecimento é mantido. É como estar em um carro fechado em um dia de sol. Usando-se estufas, até mesmo tomates , por exemplo, podem ser cultivados durante o inverno europeu.

Estufa no jardim botânico de Berlin - foto da Wikipedia, uso livre

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

O diagrama abaixo ilustra que o aquecimento global é causado pelo efeito estufa:

 

mapa conceitual: causas e efeitos do aquecimento global

Perceba que gases causam o efeito estufa que, se em excesso, causam um aquecimento global exagerado. O aquecimento, por sua vez, causa maior evaporação e também incêndios, causando aumento de gases como o vapor de água e o gás carbônico ( CO₂) e o ciclo se reforça. Isto derá tratado no fim da página, em Efeito estufa: a runaway process.

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:

Diagrama de Sankey: efeito estufa

Percebam que a energia incidente proveniente do Sol (seta marrom) se decompões em setas mais finas: a amarela representa luz refletida nas nuvens e a seta azul a luz refletida pela superfície, que é o que permite que se observe a beleza do planeta desde um satélite. Outra parte da luz é espalhada na atmosfera e confere a cor azul ao céu. Por isso vemos o Sol amarelo. Se não houvesse atmosfera, para subtrair frequências azuis, o Sol seria visto branco (pois a soma de todas as cores é o branco, como demonstrado no disco de Newton).

Vamos focar nas setas verdes do diagrama. Elas ilustram que parte da energia solar recebida pela Terra na forma de radiação UV, IV e luz, é reemitida predominantemente na forma de IV (seta verde clara). Isto é devido ao aquecimento da Terra; raios IV são emitidos por corpos aquecidos e por isso permitem visão no escuro e também aplicações em termometros que se usam à distância. A seta verde A representa a energia reemitida em direção à terra pela atmosfera e a seta verde 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.

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).

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).

O efeito estufa também se auto acelera. Perceba que devido à complexidade dos sistemas físico-químicos e biológicos integrados no planeta, uma modificação em qualquer ponto 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.

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

dilatação = 1000* 0,000214*10 = 2,14

Exemplo

Para a gasolina a dilatação é ainda maior, devido a seu 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.