O efeito estufa, que está na origem do fenômeno do aquecimento global, é difícil de demonstrar por meio de experimentos simples. No entanto, muitas propostas estão disponíveis na Internet, mas poucas são realmente reproduzíveis e muitas fornecem representações físicas deficientes do fenómeno [1] . Este artigo oferece métodos práticos e ferramentas acessíveis para ajudar professores e educadores a explicar este fenómeno de uma forma envolvente.
Um experimento popular sobre o efeito estufa - Os desafios do efeito estufa em uma garrafa - Instrumentos de medição - Radiação infravermelha - Condução e absorção - Radiação do corpo negro - Albedo - Identificação de gases de efeito estufa - Espectro de absorção de CO2 - Resfriamento da estratosfera
Um experimento popular sobre efeito estufa
Qual é o experimento ideal para demonstrar o efeito estufa? Ao digitar “efeito estufa” em um mecanismo de busca, muitas vezes surge uma sugestão: compare as temperaturas de dois potes de vidro, um aberto e outro fechado, cada um contendo uma folha de papel preta no fundo e expostos ao sol. Quando um dos potes é fechado com vidro ou plástico, a temperatura do pote fechado aumenta mais rapidamente do que a do pote aberto, chegando até 4 a 5 graus mais quente.
Está bem estabelecido que este experimento simples não oferece uma representação realista dos fenômenos em ação no efeito estufa terrestre. Com efeito, se a temperatura é mais elevada no frasco fechado, é essencialmente devido à supressão das correntes de convecção que arrefecem o ar no frasco aberto e não ao efeito radiativo responsável pelo aquecimento do nosso planeta. Este argumento também havia sido proposto já em 1774 pelo cientista suíço Horace-Bénédict de Saussure e confirmado em 1909 pelo cientista Robert Williams Wood que demonstrou que mesmo substituindo o vidro de uma estufa por halita, transparente ao infravermelho, a temperatura aumentava da mesma forma, comprovando que o efeito observado está relacionado principalmente à convecção.
Se esta experiência continua a ser apresentada nas aulas, não é porque oferece uma boa representação do fenómeno, mas porque fornece uma analogia simples e visual útil para a introdução dos conceitos básicos do efeito estufa, especialmente dirigido aos mais jovens. É útil do ponto de vista educacional, mas não prova nada em relação ao aquecimento global.
A seguir veremos que é possível oferecer representações mais precisas do efeito estufa e, com um pouco de comprometimento, mostrar experimentalmente o efeito radiativo dos gases de efeito estufa. Esta tarefa, por vezes algo difícil, é largamente recompensada pela compreensão íntima e precisa que podemos então ter do fenómeno. John Tyndall recorda assim num dos seus artigos que realizou mais de 10.000 experiências diferentes para finalmente provar em 1859 que o dióxido de carbono era um gás com efeito de estufa [4] .
Os desafios do efeito estufa em garrafa
O fenómeno do efeito de estufa que provoca o aquecimento global é bem conhecido. Isso se deve ao fato de que certos gases da atmosfera terrestre, como o dióxido de carbono (CO₂), o metano (CH₄) e o vapor d'água, absorvem e reemitem a radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre. É este efeito radiativo que o educador ou jovem cientista procura realçar através de atividades experimentais. No entanto, este efeito é difícil de demonstrar com experiências simples, o que chamaríamos de efeito estufa numa garrafa.
O primeiro obstáculo que o observador encontra é que a transmissão de calor resulta de três fenómenos diferentes: condução, convecção e radiação. Esses fenômenos coexistem na maioria dos experimentos em estufas, tornando muito difícil isolar efeitos individuais com equipamentos simples[2] .
Esta dificuldade é aumentada pelo facto de o aquecimento devido à radiação ser relativamente fraco em comparação com outros mecanismos. Um experimento de efeito radiativo envolvendo uma camada de 20 cm de CO₂ produziria, na melhor das hipóteses, apenas um grau de aquecimento, geralmente menor que o impacto da convecção ou condução [3] .
Devido ao pequeno aumento de calor causado pelos fenômenos radiativos, a reprodutibilidade dos experimentos é difícil. As menores variações na distância das fontes de luz, na escolha dos materiais, na potência das lâmpadas, na concentração dos gases utilizados, podem ter um impacto significativo nos resultados obtidos.
Finalmente, a atmosfera da Terra é um ambiente complexo estruturado em várias camadas distintas. Cada camada possui características específicas que contribuem para o efeito estufa, e fenômenos de convecção significativos distribuem o calor uniformemente ao redor do globo. Modelar tal ambiente em uma garrafa é impossível [6] .
Por todas estas razões, não existe uma experiência simples e irrefutável, que possa ser realizada em sala de aula ou em casa, que demonstre o efeito estufa “climático” como um todo. Contudo, é possível mostrar diferentes aspectos do aquecimento global por analogia ou medindo efeitos específicos, como descobriremos.
Medindo instrumentos
Que instrumentos de medição devemos utilizar para mostrar o efeito estufa e realizar os experimentos que descrevemos no restante deste artigo?
O instrumento mais simples de usar e disponível é o termômetro. Para medições mais precisas e de longo prazo, é preferível um termômetro digital, idealmente conectado a um computador ou smartphone para realizar EXAO (Experimentação Assistida por Computador). O termómetro, no entanto, tem várias limitações: o seu tempo de reacção é longo, a sua colocação no forno é crucial e não permite medir directamente a radiação.
Para medir a radiação infravermelha, preferimos utilizar uma termopilha, inventada pelo físico italiano Leopoldo Nobili no início do século XIX . Compostos por vários termopares em série, permitem medir remotamente a temperatura de uma superfície para temperaturas que variam de -20°C a 350 °C. As termopilhas estão presentes em termômetros infravermelhos, mas também disponíveis como sensor externo por preços completamente reduzidos.
Outro instrumento de medição de raios infravermelhos, porém mais caro, é a câmera infravermelha, capaz de analisar a radiação de objetos em forma de imagem. Câmeras infravermelhas agora podem ser conectadas a um smartphone para produzir fotos ou vídeos infravermelhos. Estes novos dispositivos extremamente práticos permitem analisar fenómenos em vídeo.
Além das medições de temperatura, sensores de umidade, sensores de CO₂ podem ser usados para medir concentrações e células fotoelétricas para comparar as intensidades de luz recebidas ou medir o albedo dos materiais.
Todos esses sensores existem de forma independente, mas geralmente são bastante caros, especialmente para EXAO. Uma solução é usar sensores para amadores, conectados a um microcontrolador como Arduino, ESP32 ou Microbit. Os dados podem ser facilmente analisados conectando os controladores ao aplicativo FizziQ via Bluetooth , permitindo que os dados sejam registrados e analisados em cadernos de experimentos.
Para quem não se sente confortável com microcontroladores, desenvolvemos o ambiente FizziQ Connect , que permite realizar análises EXAO com custo reduzido em comparação com outras soluções educacionais. FizziQ Connect usa sensores M5 Stack , que são baratos para comprar e suficientemente precisos neste contexto. Uma ampla seleção está disponível de outros fabricantes, como o Seed Studio .
Radiação infra-vermelha
Para compreender o mecanismo do efeito estufa da Terra, é essencial compreender melhor a radiação infravermelha, ou "radiação de calor", como a chamou o astrônomo britânico William Herschel em 1800. Ao conduzir um experimento com um prisma para decompor a luz solar em um espectro de cores , Herschel observou que a temperatura aumentou além da luz vermelha, numa área onde não havia luz visível.
Embora a radiação infravermelha não seja visível a olho nu, podemos senti-la na forma de calor através de termorreceptores localizados na nossa pele . Alguns animais, como víboras, pítons e jibóias, têm fossas sensíveis ao calor na cabeça, o que lhes permite detectar o calor infravermelho emitido por presas de sangue quente. Isto lhes dá uma vantagem significativa ao caçar à noite. Os sensores das câmeras dos smartphones também são sensíveis aos raios infravermelhos, mas para produzir uma imagem próxima do que o olho humano vê,os fabricantes adicionam filtros de bloqueio de infravermelho . No entanto, alguns smartphones possuem filtros de espectro menos eficientes ou mais amplos, como muitos smartphones Android de baixo custo. Uma oportunidade de visualizar os raios infravermelhos!
Em uma área com iluminação moderada, abra o aplicativo da câmera do seu smartphone e aponte-o para o emissor infravermelho do controle remoto da TV. Pressione um botão no controle remoto enquanto visualiza o transmissor pela tela do smartphone. Você verá uma luz piscando vinda do transmissor, visível na tela, embora seja invisível a olho nu. Se o seu smartphone não detectar infravermelho, isso significa que o filtro infravermelho da câmera está calibrado para fornecer uma imagem o mais próxima possível do que o olho humano percebe.
Por que os controles remotos usam raios infravermelhos em vez de outros tipos de radiação? Várias razões explicam esta escolha: simplicidade tecnológica e custo reduzido, mas também características específicas dos raios infravermelhos. Estes são invisíveis a olho nu, inofensivos para a saúde, têm um alcance limitado e são suficientemente direccionais para permitir um controlo preciso dos dispositivos sem interferir com outros dispositivos electrónicos próximos.
Condução e absorção
Um dos avanços fundamentais na teoria do aquecimento global é a descoberta da interação entre certos gases, chamados gases de efeito estufa, e os raios infravermelhos [14] . Veremos em outros experimentos como demonstrar esse fenômeno, mas para entendê-lo é mais simples experimentar com superfícies sólidas. Na verdade, enquanto certos materiais, como o vidro ou o Plexiglas, bloqueiam os raios infravermelhos (ou melhor, os absorvem), outros, como o polietileno transparente de baixa densidade (LDPE), permitem a passagem dos raios infravermelhos. Alguns materiais até permitem a passagem dos raios infravermelhos enquanto bloqueiam a radiação visível.
Para realçar estas noções de transparência, podemos realizar a seguinte experiência com uma termopilha ou um termómetro digital infravermelho [5] . Um copo é preenchido com água quente e uma superfície é inserida entre a termopilha (circuito MLX90614) e a fonte de radiação infravermelha. Escolhemos três materiais diferentes: placa de vidro, saco de embalagem transparente e saco de lixo. Os resultados do experimento que realizamos são os seguintes: sem material: 23,9 graus, com vidro: 18 graus, com plástico transparente: 23,2 graus e com saco de lixo: 21,8 graus. O polipropileno da película aderente permite, portanto, a passagem de 90% dos raios infravermelhos, enquanto o colorido dos sacos de lixo só permite a passagem de 65% e o vidro é opaco.
Este experimento permite entender como a atmosfera deixa passar os raios visíveis, mas bloqueia os raios ultravioleta, perigosos para os humanos, e certas frequências dos raios infravermelhos.
Radiação de corpo negro
A atmosfera da Terra permite a passagem dos raios visíveis (e alguns raios infravermelhos), que são então absorvidos pela superfície da Terra. Este último emite então radiação infravermelha, de acordo com o princípio do corpo negro. Um corpo negro é um objeto teórico da física que absorve perfeitamente toda a radiação eletromagnética incidente, sem refletir ou transmitir nenhuma. Ele emite radiação eletromagnética chamada radiação de corpo negro, que depende apenas de sua temperatura e não de sua composição. Esta radiação segue a lei de Planck, que descreve a distribuição espectral da energia emitida.
Em temperaturas abaixo de 500 graus Celsius, um corpo negro emite raios infravermelhos invisíveis a olho nu. Porém, à medida que a temperatura aumenta, a quantidade de radiação emitida no espectro visível também aumenta, tornando o corpo negro visível. A lei de Wien nos permite determinar o comprimento de onda em que a radiação é máxima.
Para visualizar o efeito do corpo negro, podemos iluminar um papelão preto com uma lâmpada LED e medir a temperatura do papelão e da lâmpada com uma termopilha (ou um detector infravermelho de temperatura). Pode-se observar que a temperatura da lâmpada é ligeiramente superior à da atmosfera. Na verdade, as lâmpadas LED produzem muito pouco calor e, portanto, são muito eficientes. Por outro lado, a temperatura do papelão preto é superior à da lâmpada, pois o papelão absorveu todos os raios visíveis e reemite os raios infravermelhos.
Albedo
Um corpo negro absorve toda a radiação, mas na realidade apenas parte é absorvida pelos corpos físicos. Essa capacidade de refletir a luz incidente é o albedo. Usado principalmente em astronomia e climatologia, o albedo está entre 0 e 1, onde 0 significa que a superfície absorve toda a luz e 1 significa que reflete toda a luz. Um material com alto albedo, como neve ou gelo, reflete a maior parte da luz, contribuindo para o resfriamento local. Em contraste, uma superfície com baixo albedo, como o oceano ou uma estrada asfaltada, reflete menos luz e absorve parte dela. Esta fração da luz absorvida é convertida em calor, aumentando assim a temperatura da superfície. É por esta razão que o IPCC (Painel Intergovernamental sobre o Clima) afirma que “pintar os telhados de branco pouparia 1 Gt/ano de emissões de gases com efeito de estufa, o equivalente a 250 milhões de veículos. Uma solução muito antiga, pois na antiguidade os egípcios pintavam os seus edifícios de branco para refletir o calor do sol, e os romanos usavam mármore e outros materiais reflexivos nas estruturas dos edifícios.
Para entender o efeito do albedo na temperatura, reúna uma lâmpada potente (60W), termômetros ou sensores conectados e materiais de cores diferentes (massa de modelar amarela, vermelha, laranja e garrafas de alumínio cinza e preta cheias de água). Coloque os materiais sob a lâmpada mantendo a mesma distância, inclinação e orientação. Acenda a lâmpada por 10 minutos. Use o aplicativo FizziQ para medir a luminância, uma medida da luz refletida, e calcular o albedo como a proporção da luminância de uma superfície em comparação com uma folha de papel branco. Após a exposição, meça as temperaturas e observe que os materiais escuros (vermelho, preto) absorvem mais luz e aquecem mais do que os materiais claros (amarelo, cinza), demonstrando o impacto do albedo na temperatura. Esta experiência é descrita detalhadamente no site do nosso parceiro La main à la pâte , seguindo este link .
Do exposto, podemos estimar o albedo da Terra. Ao propor uma distribuição das diferentes superfícies coloridas do globo terrestre, podemos ter uma ideia da forma da Terra. Compararemos este valor com a estimativa de 0,3 que geralmente é usada para estimar qual seria a temperatura do globo na ausência de efeito estufa, ou seja, -18 graus.
Identificação de gases de efeito estufa
Em 1856, a experimentalista Eunice Foote publicou um artigo nos anais da Associação Americana para o Avanço da Ciência no qual comparava o aquecimento relativo de frascos cheios de ar, CO2 e vapor de água. Ela observa que os frascos cheios de CO2 e vapor de água aquecem mais rapidamente e conclui com uma frase profética: “Uma atmosfera cheia deste gás (CO2) daria à nossa Terra uma temperatura mais elevada” [13] .
Sabemos hoje que a experiência tal como foi realizada não permite explicar o efeito estufa "climático", e é explicada principalmente pelas diferenças nas diferentes densidades entre o ar, o CO2 e os efeitos de condução e convecção em frascos de vidro que absorvem os raios infravermelhos. No entanto, a intuição deste pioneiro estava correcta e o CO2 é identificado como um gás com efeito de estufa, ou seja, um gás que absorve determinados raios infravermelhos e os retransmite.
Muitas outras experiências encontradas na Internet também afirmam ser capazes de demonstrar o efeito do CO2 como gás de efeito estufa. Muitas destas experiências não são reprodutíveis ou dão resultados falsos . Nestes experimentos os efeitos de convecção e condução não são avaliados embora sejam dominantes em comparação com o efeito radiativo devido à absorção de raios infravermelhos para gases de efeito estufa [2] [7] [10] .
Por outro lado, o protocolo a seguir fornece resultados completamente interpretáveis. Consiste em comparar dois gases com características físicas semelhantes, mas um dos quais não é um gás de efeito estufa. Teremos então à nossa disposição três medições que também nos permitirão avaliar o efeito convectivo. Um gás comumente utilizado é o argônio, que é um gás inerte e possui características próximas às do dióxido de carbono. As diferenças de temperatura devido ao efeito radiativo são da ordem de alguns décimos de graus, pelo que a precisão das medições é muito importante.
No exemplo da foto acima pegamos uma garrafa plástica recortada e forrada com papel preto, iluminada por um refletor de 100 W a 60 cm de altura. Uma sonda é colocada no interior, protegida por um pedaço de alumínio para evitar a radiação direta da lâmpada e uma sonda externa é colocada a 1,5 m de distância como referência. No equilíbrio, medimos a diferença de temperatura ΔT entre a sonda interna e a referência. Notamos um efeito radiativo de 0,5°C e um efeito de convecção de 0,4°C.
Espectro de absorção de CO2
A molécula de CO₂ absorve raios infravermelhos devido aos seus modos de vibração, incluindo alongamento assimétrico e vibrações de flexão. Quando os átomos da molécula vibram de uma forma que altera o momento dipolar, eles podem interagir com a radiação infravermelha. Essas vibrações permitem que a molécula de CO₂ absorva e reemita energia infravermelha. No entanto, a molécula de CO2 não absorve todas as frequências. Como John Tyndall mostrou com o desenvolvimento do primeiro espectro de absorção de diferentes gases, o CO2 possui diferentes bandas de absorção no infravermelho médio e distante (4 micrômetros e 15 micrômetros). Outros compostos na atmosfera, como o vapor de água, também contribuem para o aquecimento global ao absorver outras frequências de raios infravermelhos, nomeadamente o infravermelho médio em torno de 6,3 micrómetros.
Para visualizar esta absorção podemos realizar o seguinte experimento [11] . Enchemos um balão com CO2 usando bicarbonato de sódio e vinagre e enchemos outro balão com ar. Em seguida, medimos a temperatura da chama de uma vela colocada atrás do balão usando uma câmera infravermelha. Notamos que a temperatura máxima da chama diminui quando se utiliza um balão cheio de CO2, devido ao fato da radiação infravermelha ser absorvida pelo CO2 presente no balão.
Também é possível reproduzir o experimento de Tyndal construindo uma câmara fechada em uma das extremidades e na qual é colocada uma termopilha. Na frente deste dispositivo é colocada uma vela que cria raios infravermelhos. Dióxido de carbono ou ar colocado em um balão é trazido para esta câmara. Comparamos o impacto do ar e do CO2. Este equipamento preciso que permite condições perfeitamente reproduzíveis é a forma ideal de estudar o efeito dos raios infravermelhos no CO2.
Resfriamento da estratosfera
Uma das previsões mais convincentes da modelagem do efeito do aquecimento global é o resfriamento da estratosfera.
A estratosfera é a segunda camada da atmosfera terrestre, localizada acima da troposfera e estendendo-se de 10 a 50 quilômetros acima do nível do mar. Caracteriza-se por um aumento progressivo da temperatura com a altitude, devido à absorção dos raios ultravioleta (UV) pelo ozônio. Esta camada é essencial para proteger a vida na Terra porque contém a camada de ozônio, que absorve a maioria dos raios UV nocivos do sol. Ao contrário da troposfera, a estratosfera é relativamente estável, com pouco movimento vertical do ar.
Em 1967, os cientistas Syukuro Manabe e Richard Wetherald realizaram a primeira modelagem computacional do impacto da duplicação da concentração de CO2 na atmosfera. Eles calculam que o efeito estufa causaria um aquecimento da troposfera, mas também, e mais surpreendentemente, um resfriamento da estratosfera. Com efeito, se houver mais gases com efeito de estufa na estratosfera, esta, que se comporta como um corpo negro, emitirá mais radiação infravermelha tanto para o céu como para a terra. Mas à medida que menos calor atinge a estratosfera, uma vez que este calor é capturado nas camadas da troposfera, esta camada atmosférica arrefece porque emite mais radiação do que recebe.
Este contraste entre o aquecimento da troposfera e o arrefecimento da estratosfera é uma assinatura clara do impacto das actividades humanas no clima e as previsões de Manabe e Wetherald foram confirmadas por medições efectuadas por satélites e balões-sonda.
Para experimentar este efeito particular podemos usar uma piscina solar. Uma piscina solar, ou piscina solar, é um recipiente no qual foi colocada água altamente salgada e que é colocada ao sol. A densidade da água aumenta com a salinidade porque os sais dissolvidos adicionam massa à água sem aumentar significativamente o seu volume. As camadas da coluna de água estratificam-se naturalmente de acordo com a sua densidade, com camadas mais densas (mais salgadas) na parte inferior e camadas menos densas (menos salgadas ou frescas) na parte superior. Esta estratificação cria uma situação estável onde as camadas mais pesadas permanecem no fundo, evitando movimentos convectivos que poderiam misturar as camadas.
Nas bacias solares, esta estratificação é explorada para criar um gradiente térmico estável. A camada superior, pouco salgada, atua como isolante térmico. A camada intermediária, com gradiente de salinidade, evita movimentos de convecção, retendo assim o calor. A camada inferior, muito salgada e densa, absorve e armazena o calor solar. Esta configuração permite que a bacia solar retenha efetivamente o calor, evitando a mistura de camadas e maximizando a absorção e armazenamento de energia solar. Este calor retido pode então ser extraído através de trocadores de calor e usado para diversas aplicações, como aquecimento ambiente, processos industriais ou geração de energia. O lago solar capta e retém a energia solar de forma simples e eficiente, proporcionando um método eficaz de armazenamento e utilização de energia térmica.
O que vemos e que nos permite compreender melhor o efeito de arrefecimento da estratosfera é que se aumentarmos a concentração de sal, com iluminação constante, a temperatura da superfície da água diminui. Isto ocorre porque mais energia fica retida no fundo da piscina e menos energia está disponível para aquecer a superfície da piscina.
Conclusão
Compreender e demonstrar o efeito estufa, a chave para o aquecimento global, é um grande desafio experimental. Embora muitos experimentos estejam disponíveis, poucos são reproduzíveis fielmente. No entanto, é possível, com equipamentos baratos, realizar experimentos completamente realistas que permitem mostrar diferentes aspectos do fenômeno do efeito estufa [11]. [12] . Abordagens e analogias combinadas permitem apreender os aspectos essenciais do aquecimento global, destacando a importância de um ensino científico rigoroso e variado.
Saber mais
[1] http://climatechangeeducation.org/hands-on/difficulties/heating_greenhouse_gases/sound_examples/
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