Os gases de efeito estufa

Em seu novo artigo para BiodieselBR.com, o pesquisador Décio Luiz Gazzoni fala sobre o efeito estufa e os poluentes que o causam.

A criação do Programa Brasileiro de Produção e Uso de Biodiesel teve diversos motes. Entre eles estava a ampliação do uso de energia renovável no país, consequentemente a redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE) do país. Em escala global, o setor de transportes contribui com 22% das emissões de GEE e, em 2011, emitiu um valor estimado de 25 Gt (bilhões de toneladas) de CO2. Para o Brasil, a estimativa é de que tenham ocorrido, no setor de transportes, emissões de 300 Mt (milhões de toneladas) de CO2, em 2011.

Nos últimos 40 anos, as emissões setoriais no mundo se incrementaram à média geométrica de 1,8% ao ano, enquanto no Brasil a taxa de incremento foi quase o dobro (3,5% a.a.), devido ao forte crescimento do uso de automóveis e do modal rodoviário de transporte. Com isso, a participação brasileira dobrou entre 1971 e 2000. Entretanto, com o ingresso no mercado dos veículos flex fuel, a partir de 2003, e com o estabelecimento do Programa de Biodiesel em 2005, esta proporção se encontra em queda, apesar de batermos recordes sucessivos nas vendas de veículos (incluindo caminhões e ônibus) e de combustíves (Tabela 1). 



Em recente estudo que realizamos, verificamos que, entre 2000 e 2011, as emissões evitadas com o uso de etanol hidratado no Brasil alcançaram 159 Mt de CO2; as emissões evitadas pelo uso de etanol anidro montaram a 135 Mt de CO2; e o biodiesel contribuiu com emissões evitadas no volume de 16 Mt CO2, totalizando 310 Mt de CO2. Este valor equivale a mais de um ano de emissões do setor de transportes. A relação entre as emissões pelo uso de combustíveis entre o Brasil e o mundo, está exposta na Tabela 1.

Em seu cenário de novas políticas, o World Energy Outlook (WEO), editado anualmente pela Agência Internacional de Energia, projeta que as emissões mundiais de CO2 provenientes da queima de combustíveis continuarão a crescer ininterruptamente, embora a taxas decrescentes, atingindo 35,4 Gt de CO2 até 2035. De sua parte, os cenários do IPPC (Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas) projetam um aumento da linha base de emissões variável entre 9,7 e 36,7 Gt de CO2 equivalente (aumento de 25 a 90%) entre 2000 e 2030, o que é consistente com as estimativas da AIE. 

A Figura 1 mostra a importância do uso de biocombustíveis na matriz de transporte, quando o objetivo é a redução de GEE. Verifica-se, desta forma, que qualquer programa abrangente e ambicioso de redução das emissões de GEE passa, obrigatoriamente, por um sólido processo de mudança na matriz energética, aumentando a participação de energia renovável. O Brasil é um exemplo mundial a ser emulado, pois possui a matriz energética mais limpa (com menores emissões de GEE por unidade de energia) entre os grandes consumidores de energia do mundo. Este fato é devido a dois aspectos fundamentais. O primeiro é o uso de biocombustíveis (bioetanol anidro, bioetanol hidratado e biodiesel). O segundo é a concentração da geração de energia elétrica no sistema de hidroelétricas. Entretanto, como o processo de redução de emissões é crucial para o mundo, e para cada país em particular, ele não poderá ser considerado encerrado, ao menos nas próximas décadas, razão pela qual o aumento da participação de uso de biocombustíveis no segmento de transportes deverá se manter como prioridade das políticas públicas.



Efeito Estufa
A Figura 2 mostra uma casa de vegetação, ou estufa, de onde foi derivada a denominação efeito estufa. Não é exatamente o mesmo processo que ocorre com a atmosfera, sendo apenas um exemplo didático e ilustrativo. A radiação solar penetra no interior da estufa, é refletida pelo solo ou plantas, porém apenas uma parte da radiação infravermelha refletida consegue atravessar a barreira do teto (de plástico ou vidro), mantendo o interior da casa aquecida. 


Outro exemplo é o de um veículo estacionado ao sol, em que o interior aquece muito acima da temperatura externa, porque os vidros e a lataria do veículo impedem a saída da radiação refletida, parcialmente retida em seu interior. Tanto na estufa, quanto no automóvel, o aquecimento é devido, em grande parte, porque a convecção do ar é suprimida, não permitindo a troca de ar entre o interior e o exterior, o que é uma diferença essencial com o processo que ocorre na atmosfera. A Figura 3 apresenta, de forma esquemática, a dinâmica do efeito estufa, quantificando percentualmente os fluxos de energia radiante que ocorrem.


O efeito estufa é um processo que ocorre quando uma parte da radiação solar é refletida pela superfície da Terra, na faixa do infravermelho, e é absorvida pelos GEE presentes na atmosfera. Desta forma, o calor resultante fica retido na atmosfera, ao invés de prosseguir rumo ao espaço, o que ocorreria na ausência da camada de gases.

O efeito estufa é parte do complexo sistema de regulação da temperatura da Terra. Sem ele, a variação térmica entre o dia e a noite, e entre regiões extremas do planeta (equador x pólos), seria enorme e a vida, assim como a conhecemos, não existiria. Os GEE, como Dióxido de Carbono (CO2), Metano (CH4), Óxido nitroso (N2O), CFC´s (CFxClx), absorvem parte radiação infravermelha emitida pela superfície da Terra, e irradiam o restante de volta para a superfície. Assim, a superfície recebe quase o dobro de energia da atmosfera em relação ao que receberia do Sol e, em decorrência, a superfície fica cerca de 30  C mais quente do que na ausência do efeito estufa.

Dito de outra forma, o efeito estufa é consequência do balanço da energia emitida pelo Sol, que é absorvida pela Terra, e da energia que é refletida de volta para o espaço. O forçamento radiativo é um balanço entre a radiação solar incidente do Sol e a radiação infravermelha que sai do planeta. Sem nenhum forçamento radiativo, a radiação solar incidente que entra na Terra permaneceria aproximadamente igual à radiação infravermelha emitida pelo planeta.

Toda a absorção da radiação terrestre acontece próximo à superfície, na parte inferior da atmosfera, onde ela é mais densa. Em maiores altitudes, a densidade da atmosfera é baixa demais para ter um papel importante como absorvedor de radiação, com exceção da participação do ozônio. O vapor de água, que é o mais poderoso dos GEE, está concentrado na atmosfera inferior, e desta forma a maior parte da absorção da radiação se dá na sua base. O aumento dos GEE na atmosfera, mantida a quantidade de radiação solar que entra no planeta, fará com que a temperatura aumente mais na porção mais próxima à superfície terrestre. 

Porém, na física, assim como na química, a dose faz a diferença entre o remédio e o veneno, entre o benefício e o malefício de um mesmo processo. In casu, o malefício ocorre pelo acirramento do processo natural de efeito estufa, que desestabiliza o equilíbrio energético no planeta e a sua regulação térmica. Este acirramento é a causa principal das Mudanças Climáticas Globais, fenômeno mais conhecido como Aquecimento Global.

De acordo com o IPCC, que foi criado com a missão de fundamentar cientificamente as análises, estudos e recomendações a respeito do tema, o processo de aquecimento global do nosso planeta teve início na segunda metade do século XX. A partir de estudos científicos, foi estabelecida uma relação acima de qualquer dúvida razoável entre o aumento da temperatura média do planeta e o aumento da concentração de gás carbônico na atmosfera (Figura 4.)


Ao contrário do que ocorre no exemplo da casa de vegetação, ou do automóvel, a atmosfera terrestre não se comporta exatamente como uma estufa, pois a atmosfera facilita a convecção e não armazena calor. Em condições teóricas ideais, a temperatura da atmosfera seria constante e a energia absorvida transformar-se-ia imediatamente em cinética ou potencial. Parte das emissões de GEE, que se encontram na atmosfera, é produzida naturalmente, como resultado de erupções vulcânicas, da decomposição de matéria orgânica e da fumaça de grandes incêndios. Este fenômeno ocorre desde a gênese da Terra, e a camada de GEE anterior à era industrial, foi resultado de um longo processo de acomodação. 

Entretanto, a densidade atual da camada gasosa é devida, em grande medida, à atividade humana. A poluição decorrente do aumento da atividade industrial e dos transportes nos últimos duzentos anos, baseada quase totalmente em energia fóssil, tornou mais espessa a camada de gases existentes na atmosfera. Essa mudança na espessura impede a dispersão da energia luminosa proveniente do Sol, que aquece e ilumina a Terra e também retém a radiação infravermelha emitida pela superfície do planeta. 

Como consequência do aquecimento global observa-se o derretimento das calotas polares, das neves eternas e das geleiras, o que eleva o nível das águas dos oceanos e dos lagos, submergindo ilhas e áreas litorâneas. O aquecimento das regiões tropicais e subtropicais contribui para intensificar o processo de desertificação e de proliferação de insetos, fungos, bactérias, vírus, nematóides e outros organismos nocivos à saúde humana, animal e à agricultura. A destruição de habitats naturais provoca o desaparecimento de espécies vegetais e animais, afetando a biodiversidade, o equilíbrio ecológico e as relações no seio das cadeias alimentares. O efeito mais agudo e mais visível é o incremento na frequência de eventos climáticos extremos, que também se tornam mais intensos, como secas, inundações, furacões, ondas de frios e calor, nevascas e outros eventos, que ocasionam destruição e morte. A figura 5 mostra o crescimento das catástrofes climáticas, em especial a partir de 1985, e o custo financeiro das mesmas.


Comparando-se a situação atual ao período pré-industrial, a concentração de dióxido de carbono na atmosfera cresceu cerca de 30% e a principal causa deste aumento é a queima de combustíveis fósseis. No mesmo período, a concentração de metano aumentou 145% e do óxido nitroso 15%. Outras substâncias decorrentes da atividade industrial, como os clorofluorcarbonos e hidrofluorcarbonos, que são inexistentes na natureza, atuam como poderosos gases de efeito estufa. A Tabela 2 mostra a contribuição de diferentes GEE para a intensificação do efeito estufa, na década de 1980, conforme estabelecido pelo IPCC.

O tempo de vida dos GEE varia de alguns anos até alguns milhares de anos, dependendo do gás. Portanto, as emissões passadas ainda podem influenciar o clima do futuro, bem como as emissões presentes e as do futuro próximo poderão influenciar o clima no longo prazo.



Gases de efeito estufa
Conforme mencionado anteriormente, os GEE se acumularam naturalmente na atmosfera, até atingir um ponto de equilíbrio, ao longo de centenas de milhões de anos. O problema ocasionado pelas atividades humanas aponta para o aumento da concentração dos gases que naturalmente lá estariam, bem como pela emissão de gases que não existem na Natureza, como os CFCs (clorofluorcarbonos). Os principais gases de efeito estufa são:

1. Vapor d'água (H2O)
Existe um ciclo natural de água no planeta, chamado ciclo hidrológico, mostrado na Figura 6, elaborada pelo Departamento de Geologia do Governo dos EUA. Embora a permanência média do vapor de água na atmosfera seja de 10 dias, uma molécula de água individual pode demorar desde algumas horas até milhões de anos para completar o seu ciclo. Através da condensação, o vapor d'água se transforma em garoa, chuva, nevoeiro, orvalho e neve. É este ciclo que redistribui a água na Terra, formando os rios e lagos, e permitindo a agricultura e a pecuária e, em última instância, a própria vida na Terra.


O vapor d'água é responsável por 65% do efeito estufa natural. Em condições naturais, as fontes principais são a evaporação de água da superfície dos oceanos (425x103 km3/ano) e da Terra. A evaporação depende da temperatura, gerando grandes variações sazonais da quantidade de vapor d'água presente na atmosfera

2. Dióxido de carbono (CO2)
A atual concentração de CO2 na atmosfera, próxima a 390 ppm, é a mais alta dos últimos 400.000 anos. De acordo com o IPCC, este gás aumentou sua concentração na atmosfera em cerca de 1,5 ppm por ano, nos últimos 50 anos (Figura 7). Este aumento da concentração do CO2 na atmosfera resulta, principalmente, da queima de combustíveis fósseis e, de forma complementar, do desmatamento, da mudança no uso do solo e de processos industriais, como a fabricação de cimento. 


A emissão de CO2 em um circuito fechado não é necessariamente um problema, porque o gás emitido é reabsorvido no ciclo seguinte. Por exemplo, o gás carbônico emitido junto com os gases de escapamento, pela queima de biodiesel no motor de um ônibus, é reabsorvido pela soja, para cumprir o seu biológico ciclo seguinte. Já o ciclo aberto, em que carbono estocado há milhões de anos, como é o caso do carvão ou do petróleo, é lançado na atmosfera, gera os desequilíbrios que acirram o efeito estufa. De acordo com o IPCC, até a década de 1990, cerca de 77% do CO2 lançado por atividades antropogênicas na atmosfera eram devidos à combustíveis fósseis e 23% ao desmatamento e mudança do uso da terra.

3. Ozônio (O3)
Além das emissões terrestres, o ozônio também é sintetizado diretamente na troposfera pela reação dos óxidos de nitrogênio (NOx), hidrocarbonetos (HC), da evaporação de combustíveis líquidos e solventes e do monóxido de carbono (CO). Todas estas substâncias decorrem, em grande parte, da queima de combustíveis fósseis.

O ozônio cumpre duas funções importantes na atmosfera, ao absorver tanto a radiação ultravioleta proveniente do sol, quanto a radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre. Ao contrário de outros GEE, a maior parte do ozônio localiza-se na estratosfera (90%) e o restante na troposfera. A concentração de ozônio (tanto estratosférico quanto troposférico) varia de acordo com a localidade e o tempo. Atualmente discute-se muito os “buracos” de ozônio na atmosfera, que seriam localizações geográficas de baixa concentração do gás, o que exporia a superfície terrestre, e todos os organismos vivos da área atingida, a altas taxas de radiação UV.

Por conta de sua dupla função, a quantificação da importância do ozônio estratosférico para o efeito estufa ainda é controversa. Contribui para as dificuldades de quantificação os “buracos” de ozônio, em termos de sua dimensão e localização. Já o ozônio troposférico apresenta importância reconhecida para o efeito estufa, embora também existam dificuldades para quantificar esta importância em função de sua concentração e distribuição espacial, tanto regional quanto vertical, e as oscilações verificadas em função do tempo.

Apesar das incertezas, cientistas estimam que a retirada de 50% do ozônio existente na troposfera redundaria em redução de 0,5ºC na temperatura terrestre. Em sentido inverso, os cálculos apontam que, aumentando em 100% a concentração de ozônio na troposfera, redundaria em aquecimento de 0,9ºC na temperatura média da Terra. A redução na formação do ozônio troposférico significa, além de um possível resfriamento da Terra, a melhoria da qualidade do ar nas cidades, já que este gás possui efeitos prejudiciais à saúde.

4. Metano (CH4)
As fontes de metano mais importantes são a degradação anaeróbica de matéria orgânica, a digestão entérica animal, a decomposição de excreção animal, o cultivo de arroz irrigado, a produção de petróleo, a produção e distribuição de gás natural, produção de carvão e reações colaterais que ocorrem na queima de biomassa. 

O metano é um gás altamente reativo, com uma concentração na atmosfera atualmente estimada como sendo levemente inferior a 2 ppm, e com taxa de crescimento da concentração de 0,6% a.a., no período recente. Como resultado da reação do metano há formação de H2O e CO2, que também são GEE, porém com potencial de aquecimento global (GWP) menor.

5. Halocarbonos 
Os halocarbonos compreendem os compostos químicos que possuem em sua estrutura moléculas de halogênios, ou seja, átomos de cloro, flúor e bromo, ligados a um esqueleto de carbono. Como referido anteriormente para as substâncias classificadas como clorofluorcarbonos (CFCs), tratam-se de substâncias químicas que não existem na Natureza, e são sintetizadas artificialmente para uso em produtos como refrigeradores, ar condicionado e agentes produtores de espuma e propelentes. Os CFCs são reconhecidos como responsáveis pela destruição do ozônio estratosférico. Pelo seu elevado potencial de aquecimento global, a produção, o uso e a emissão destes gases são regulamentadas por tratados internacionais

Os hidrofluorcarbonos (HFCs) além dos átomos de halogênios e carbono, também possuem átomos de hidrogênio. Os HFCs foram utilizados para substituir os CFCs e são menos reativos ao ozônio, no entanto também possuem altos potenciais de aquecimento e não constituem propriamente uma evolução qualitativa. Os perfluorcarbonos (PFCs) são formados por átomos de carbono e flúor, e tem como principal produto o CF4, e podem ser emitidos como subprodutos de processos industriais. Apesar de os PFCs não afetarem o ozônio estratosférico, são fortes gases de efeito estufa e estima-se que permaneçam ativos na atmosfera por milhares de anos.

6. Hexafluoreto de enxofre (SF6)
Esta substância química é usada quase exclusivamente nos sistemas de transmissão e distribuição de eletricidade e como dielétrico em componentes eletrônicos. Trata-se de um gás incolor, e solúvel em solventes orgânicos (como álcool ou éter), de baixa solubilidade em água. É um potente gás de efeito estufa, considerado de grande estabilidade e longo tempo de permanência na atmosfera.

7. Óxido nitroso (N2O)
Este gás pertence ao conjunto genérico denominado Óxidos de Nitrogênio (NOx). Tanto pode ser proveniente de fontes naturais (especialmente pela ação de microrganismos) quanto de atividades agrícolas (uso de fertilizantes orgânicos ou químicos que contenham Nitrogênio), pela queima de combustíveis fósseis e de biomassa. Também pode ser emitido no processo de produção de ácido nítrico, em aterros, especialmente sanitários, nos solos encharcados e nos reservatórios artificiais, como aqueles das hidroelétricas. O N2O pode ser decomposto por reações mediadas fotoquimicamente, na estratosfera. 

Potencial
Nem todos os gases contribuem com a mesma intensidade, para o efeito estufa. Considerando o mesmo volume, existem diferenças brutais, de até 24.000 vezes entre o efeito de um gás e de outro, com maior potência. Assim, para comparar as ações dos diferentes gases de efeito estufa no aquecimento global, utilizado nos estudos, análises e políticas públicas, foi criado um índice denominado Potencial de Aquecimento Global (GWP, da sigla em inglês), também chamado de Fator de Aquecimento Global (GWF), adotado universalmente. 

O GWP é uma medida de como uma determinada quantidade de GEE contribui para o aquecimento global, comparativamente à mesma quantidade de dióxido de carbono. Neste caso, por definição, o GWP do CO2 é 1. O GWP varia em função do tempo, o qual deve ser declarado para validar a comparação. Por exemplo, o metano apresenta valores variáveis de GWP de 62, 23 e 7 calculados para 20, 100 e 500 anos, respectivamente. Já o SF6 possui GWP de 15.100, 22.200 e 32.400, calculados para 20, 100 e 500 anos, respectivamente.

O impacto causado pelos diferentes gases depende da escala de tempo que está sendo considerada. No caso do CO2, a sua permanência na atmosfera varia de 50 a 200 anos, dependendo de como este gás é absorvido pelos oceanos e pela biosfera, enquanto e para o CH4 a sua permanência varia de 12 a 17 anos. 

A Tabela 3 apresenta os principais gases de efeito estufa e suas características, incluindo o GWP para um horizonte de 100 anos.



Décio Luiz Gazzoni é engenheiro agrônomo e pesquisador da Embrapa Soja. Visite o site do autor.