Química da atmosfera

Um motor pode produzir vários gases invisíveis. Um termômetro sozinho não pode nos dizer qual gás causou a mudança. Este tópico conecta observações a explicações químicas: como o ar mudou, como a radiação transfere energia e como os produtos da combustão dependem do combustível e das condições.

Use uma resposta de três partes: fonte ou ação → processo químico → consequência. Distinga um resultado medido de uma interpretação. As seções numeradas abaixo cobrem AQA 8462 4.9.1.1–4.9.3.2, ambos os níveis. Tópicos anteriores fornecem equações balanceadas, percentuais, combustão e o ciclo do carbono; desempenho prático é separado.

Por cerca de 200 milhões de anos, as proporções principais foram muito semelhantes às atuais: aproximadamente quatro quintos de nitrogênio e um quinto de oxigênio. Pequenas quantidades incluem gases nobres, dióxido de carbono e vapor d'água. As aproximações familiares mais precisas de ar seco são cerca de 78% de nitrogênio e 21% de oxigênio; isso não implica que os restantes 1% sejam todos dióxido de carbono. O teor de vapor d'água varia, então especifique ar seco ao usar composição de ar seco.

Amostra resolvida. Estime o volume de nitrogênio em 250 cm³ de ar usando a aproximação do programa. Assuma que todos os volumes de gás referem-se à mesma temperatura e pressão.

A estimativa correspondente de oxigênio é $\frac15\times250=50\ \mathrm{cm^3}$. Essas frações aproximadas deliberadamente ignoram os componentes pequenos; não combine 80% de nitrogênio com um 21% de oxigênio exato separado como se fossem um conjunto de dados consistente.

A Terra formou-se há cerca de 4.6 bilhões de anos. Medições diretas da atmosfera daquela época não existem; material geológico também mudou ao longo desse longo período. Evidências para a atmosfera mais antiga são limitadas, então teorias se desenvolvem conforme as evidências melhoram. Registros de gelo antigos mostram atmosferas posteriores, não uma amostra do ar da formação da Terra.

Uma teoria sugere que intensa atividade vulcânica durante o primeiro bilhão de anos liberou os gases que formaram a atmosfera primitiva. Era principalmente dióxido de carbono, com pouco ou nenhum oxigênio, possivelmente como as atmosferas atuais de Marte e Vênus. Vulcanos também liberaram nitrogênio, vapor d'água e pequenas quantidades de metano e amônia. Uma comparação com outro planeta apoia uma possível explicação; não é prova de que as porcentagens gasosas da Terra eram idênticas.

Condensação muda vapor d'água em líquido. À medida que a Terra esfriava, o vapor d'água condensou em água líquida, formando oceanos. Dióxido de carbono dissolveu na água; carbonatos precipitaram e formaram sedimentos, removendo dióxido de carbono da atmosfera. Nitrogênio acumulou gradualmente. Não diga que o resfriamento transformou água em dióxido de carbono ou que vulcões forneceram o posterior aumento de oxigênio.

Julgamento de evidência. Um vulcão moderno libera dióxido de carbono, nitrogênio e vapor. Isso torna uma origem vulcânica plausível, mas não mede a composição exata da atmosfera bilhões de anos atrás. Afirme tanto a observação de apoio quanto a limitação.

Algas produziram oxigênio pela primeira vez por fotossíntese há cerca de 2.7 bilhões de anos. As plantas evoluíram posteriormente. Nos próximos bilhões de anos, o oxigênio aumentou gradualmente a um nível que permitiu a evolução dos animais. Foi uma mudança longa, não um salto instantâneo para a porcentagem atual.

Dióxido de carbono + água → glicose + oxigênio, usando energia luminosa. Conte seis átomos de carbono, doze de hidrogênio e dezoito de oxigênio em cada lado. A fotossíntese remove dióxido de carbono e libera oxigênio; a respiração tem o efeito gasoso oposto no balanço geral. Uma planta realiza ambos os processos, então considere o equilíbrio quando discutir a varização líquida.

Vários processos removeram dióxido de carbono. A dissolução nos oceanos e a formação de sedimentos carbonáticos começaram antes das plantas. Mais tarde, algas e plantas usaram dióxido de carbono para produzir biomassa por fotossíntese. O soterramento manteve parte desse carbono fora da atmosfera por períodos muito longos.

• Pedra calcária forma-se a partir de sedimentos acumulados de carbonato de cálcio, incluindo conchas e esqueletos de organismos marinhos, que se tornam rocha. O carbono nesse carbonato fica armazenado fora da atmosfera.
• Carvão mineral forma-se a partir de material vegetal soterrado, comprimido e transformado ao longo de milhões de anos sob condições que limitam a decomposição completa.
• Petróleo bruto e gás natural formam-se principalmente a partir dos restos soterrados de pequenos organismos marinhos, alterados por calor e pressão ao longo de milhões de anos.

Carvão mineral, petróleo bruto e gás natural são combustíveis fósseis. Não se formam simplesmente por congelamento ou dissolução de dióxido de carbono. A queima desses estoques devolve o carbono principalmente como dióxido de carbono. O armazenamento em rochas é de longo prazo, mas não literalmente permanente: processos geológicos também podem devolver o carbono.

Explicação exemplificada. Por que tanto a formação de pedra calcária quanto a de carvão mineral reduzem o dióxido de carbono atmosférico? A pedra calcária armazena carbono em rocha carbonática após sua remoção da água/ar. As plantas retiram inicialmente o dióxido de carbono por fotossíntese; o soterramento de seus restos depois armazena esse carbono no carvão em vez de devolvê-lo integralmente pela decomposição. Nomeie a rota bem como o local final de armazenamento.

Um gás de efeito estufa absorve e emite radiação infravermelha. Vapor d'água, dióxido de carbono e metano são gases de efeito estufa. O efeito estufa natural mantém a superfície da Terra aquecida o suficiente para a vida; a questão sobre influência humana refere-se a um aumento nesse aquecimento.

A radiação de comprimento curto do Sol atravessa a atmosfera e aquece a superfície. A superfície quente emite radiação infravermelha de comprimento maior. Os gases de efeito estufa absorvem parte dessa radiação infravermelha emissiva e emitem radiação infravermelha em todas as direções, incluindo em direção à superfície. Parte da radiação escapa para o espaço. O aumento na quantidade de gases de efeito estufa pode reduzir a taxa inicial de perda de energia para a mesma temperatura superficial, fazendo com que a superfície aqueça até um novo equilíbrio energético.

Os gases estão misturados no ar, não formando uma tampa sólida. A absorção e a emissão não são reflexão espelhada. Não descreva o buraco na camada de ozônio como causa, nem diga que os gases de efeito estufa impedem toda a radiação de deixar a Terra.

Lembre-se de pelo menos duas atividades para cada gás. A queima de combustíveis fósseis aumenta o dióxido de carbono. O desmatamento reduz a remoção de dióxido de carbono pela fotossíntese e pode liberar carbono armazenado através da queima ou decomposição. O metano aumenta devido à pecuária bovina e à decomposição de resíduos orgânicos em aterros sanitários; campos de arroz alagados também podem emitir metano.

Ao ler um relatório climático, verifique a variável medida, unidades, datas, cobertura geográfica e se o gráfico mostra uma tendência ou apenas um ano atípico. Uma relação entre dois gráficos é uma evidência a ser examinada, não por si só uma explicação causal completa. Medições de mecanismos e vários conjuntos de dados independentes fortalecem uma explicação.

Revisão por pares significa que outros especialistas examinan métodos, evidências e raciocínio de um estudo antes da publicação. Pode revelar fraquezas, mas não garante que todas as conclusões estejam corretas. Comunicar resultados claramente ajuda as pessoas a julgarem as evidências. Um título baseado em um único período selecionado ou um gráfico sem explicação pode ter viés. Sistemas climáticos complexos exigem modelos simplificados, que possuem suposições e incertezas; a incerteza sobre a magnitude exata de um efeito não é evidência de que nenhum efeito exista.

Exemplo de dados originais. Um conjunto de dados fictício de sala de aula fornece uma anomalia de temperatura média global de 0.30°C no período A e 0.70°C no período B. Trata-se de uma diferença em relação a uma média de referência declarada, não da temperatura absoluta da Terra.

Isso apoia o aquecimento entre as médias desses dois períodos. Não estabelece um aumento de temperatura em todos os lugares ou em todos os anos, nem identifica isoladamente a causa. Compare as incertezas e outras evidências antes de tirar conclusões mais amplas.

Mudança climática global envolve padrões de longo prazo, não o tempo atual. Quatro efeitos potenciais são: elevação do nível do mar, alterações nas precipitações, mudanças na frequência ou intensidade de eventos extremos e alterações na distribuição de habitats/espécies.

Vincule cada efeito a uma consequência. Mares altos podem inundar terras costeiras baixas; chuvas alteradas podem causar escassez hídrica ou danificar cultivos; eventos severos podem prejudicar pessoas e infraestrutura; mudança de habitats pode ameaçar organismos incapazes de se mover ou se adaptar. O aquecimento pode elevar o nível do mar pela expansão térmica da água do mar e pelo derretimento de gelo terrestre. O derretimento de gelo marinho flutuante não tem o mesmo efeito direto no nível do mar que o acréscimo de água doce de fontes terrestres.

Discuta escala (quantas pessoas/qual área e por quanto tempo), risco (probabilidade e gravidade) e implicações ambientais, em vez de apenas listar desastres. Os efeitos regionais futuros exatos dependem de emissões, suposições dos modelos e retroalimentações complexas. Forneça uma previsão condicional apoiada pelas evidências fornecidas, não uma garantia de que todo local ficará mais quente e seco.

Uma pegada de carbono é o total de dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa emitidos ao longo de todo o ciclo de vida de um produto, serviço ou evento. Inclua matérias-primas, fabricação, transporte, uso e descarte, quando aplicáveis. Uma pegada não é apenas o dióxido de carbono gerado pelo uso de um objeto, nem a massa de átomos de carbono nele contidos. Quando o problema fornece todos os gases em uma unidade de comparação comum, use essa unidade consistentemente; fatores de conversão não são necessários, a menos que sejam fornecidos.

Compare o mesmo serviço, como 100 viagens de mesma distância, durante a mesma vida útil e limite do sistema. Um produto com maiores emissões na fabricação ainda pode ter menores emissões totais após uso repetido.

Comparação resolvida, dados fictícios fornecidos. Ambas as opções fornecem o mesmo serviço. A tem 12 kg de fabricação + 8 kg de transporte + 60 kg de uso + 5 kg de disposição; B tem 25 + 10 + 20 + 5 kg na mesma unidade de comparação de gases de efeito estufa fornecida.

B tem o total menor apesar das maiores emissões na fabricação. Essa conclusão depende da etapa de uso fornecida e do serviço igual; não prova que B tenha menor demanda por água ou menos resíduos.

Reduza o dióxido de carbono através de equipamentos eficientes, isolamento, redução do uso de combustíveis fósseis, fontes de energia adequadas de baixa emissão ou proteção florestal. Reduza o metano prevenindo desperdício orgânico, capturando gás de aterro e mudando práticas agrícolas adequadas. Explique limitações: custo inicial, infraestrutura disponível, suprimento energético, necessidade de terra, demandas alimentares concorrentes ou aceitação pública. O metano capturado ainda libera dióxido de carbono se queimado, mas impede a liberação direta de metano e pode fornecer energia útil. Nenhuma única ação garante pegada zero.

A maioria dos combustíveis contém carbono e/ou hidrogênio e pode conter enxofre. Primeiro inspecione os elementos do combustível; depois examine o suprimento de oxigênio e a temperatura. A combustão completa de um hidrocarboneto puro em oxigênio suficiente produz dióxido de carbono e água. Esta afirmação não significa que todo combustível, sob toda condição, produza apenas esses dois gases.

Com oxigênio limitado, a combustão incompleta pode produzir monóxido de carbono e partículas de carbono (fumaça), além de algo de dióxido de carbono e água. Partículas incluem sólidos e hidrocarbonetos não queimados liberados ao ar. A queima de impurezas de enxofre forma dióxido de enxofre. Em altas temperaturas, nitrogênio e oxigênio no ar podem reagir para formar óxidos de nitrogênio, mesmo quando o combustível não contém nitrogênio.

Previsão resolvida. Remover o enxofre de um combustível de motor reduz o dióxido de enxofre; isso não elimina automaticamente os óxidos de nitrogênio, pois seu nitrogênio pode vir do ar. Mais oxigênio pode reduzir produtos de combustão incompleta, mas não remove o dióxido de carbono da combustão completa.

Chuva ácida danifica ecossistemas e reage com alguns edifícios e pedras. Escurecimento global é a redução da luz solar que atinge a superfície devido às partículas; não é o mesmo processo que a absorção de infravermelho emissivo por gases de efeito estufa. Um filtro que captura partículas não necessariamente remove monóxido de carbono dissolvido/gaseoso. Distinça CO, o gás tóxico de combustão incompleta, de CO₂, um gás de efeito estufa.

Quando uma questão de tratamento de exaustão fornece um reagente, use sua reação declarada. O óxido de cálcio pode neutralizar o dióxido de enxofre em sulfito de cálcio; oxidação adicional pode produzir sulfato. Não escreva silenciosamente o sulfato de cálcio como produto apenas de CaO + SO₂: uma fonte extra de oxigênio é necessária. Um conversor catalítico adequado pode usar monóxido de carbono para reduzir o monóxido de nitrogênio a nitrogênio, formando dióxido de carbono; ele não simplesmente divide todo óxido de nitrogênio em nitrogênio e oxigênio sem outra química.

Uma cidade substitui combustível contendo enxofre por combustível sem enxofre e instala filtros de partículas. Seu relatório afirma que “todos os problemas climáticos e respiratórios foram resolvidos”. Explique os prováveis benefícios das duas mudanças, depois refute a reivindicação excessiva usando o dióxido de carbono restante, possível monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio de alta temperatura. Declare quais medições seriam necessárias antes de julgar a magnitude de qualquer melhoria. Use as questões independentes nas folhas 9.1–9.3 para verificar o conjunto completo de métodos.