As partículas no ar 

O ar é composto pelas menores coisas que conhecemos, e que por sua própria natureza apresentam estabilidade: os átomos e as moléculas. No entanto, o ar ao nosso redor também carrega muitas partículas minúsculas: pedaços de coisas que são pequenas demais para conseguirmos enxergar. Assim como acontece com outros sólidos e líquidos, as minúsculas partículas no ar são compostas de muitas moléculas, unidas por atração elétrica. 

As partículas são tão leves que se movem com o ar. Lentamente, elas caem no chão por causa da ação da gravidade, mas o ar em movimento as empurra com muito mais força do que a gravidade as puxa para baixo. As partículas são sopradas pelo vento e podem viajar longas distâncias, até mesmo de um continente para outro. Quando existem muitas partículas no ar, elas tornam o céu nebuloso, dificultando a visão a longas distâncias. 

Mais perto do chão, as maiores partículas que estão suspensas no ar são, geralmente, poeira ou pólen. As menores são aglomerados de algumas moléculas, muitas vezes menores do que a poeira ou o pólen. A fumaça também é feita de partículas. As partículas de fumaça são maiores do que o aglomerado molecular, mas menores do que a poeira. Quando as partículas vêm da atividade humana, nós as chamamos de poluição do ar. No entanto, a poluição do ar pode ser constituída também de moléculas individuais de gases venenosos. 

As partículas no céu são importantes por duas razões principais. Primeira, respirar muitas delas é perigoso. Por exemplo, a fumaça de escapamento de carro pode causar câncer, como fumar. Segunda, são necessárias para a formação de nuvens. 

Formação de nuvens

As nuvens, sejam elas grandes camadas cinzentas, protuberâncias brancas fofas ou faixas no céu deixadas por aviões, possuem, todas, alguma coisa em comum. Mais importante ainda, são formadas por minúsculas gotas de água, chamadas de “gotículas de nuvem”. As gotículas de nuvem se formam quando o ar quente da superfície da Terra sobe e esfria lentamente. Como as partículas, as gotículas de nuvem são tão pequenas que não caem no chão (a menos que a nuvem esteja liberando chuva). O ar ascendente ao seu redor empurra-as para cima, a gravidade as puxa para baixo e elas acabam flutuando no céu. 

No céu, a menos que haja algum tipo de superfície aonde a água possa aderir, ou a menos que esteja realmente muito frio (-38°C), ela apresenta a forma de gás. Quando há uma superfície, a água pode se liquefazer (tornar-se líquida) ou se congelar, como ocorre no solo. No entanto, no céu, não existem grandes superfícies óbvias. Portanto, para que se forme uma gotícula de nuvem, é necessário que haja uma partícula com uma pequena superfície à qual a água possa aderir. A partícula atua como a semente da gotícula. Para que haja formação de gotículas, elas devem ter cerca de 50 nm de diâmetro: cerca de um milésimo da espessura de um fio de cabelo. A Figura 1 mostra de onde vêm essas partículas presentes na atmosfera. 

Se houver menos partículas no céu, haverá menos gotas em cada nuvem. Isso torna as nuvens mais escuras. As coisas escuras esquentam mais facilmente do que as claras: por exemplo, tente (com cuidado) tocar num carro preto quando está ensolarado e, em seguida, toque num carro branco. Portanto, como as nuvens escuras ficam quentes com mais facilidade, a Terra também vai esquentar. Isso pode ter um grande efeito na temperatura da Terra porque, em média, as nuvens cobrem mais da metade de sua superfície. 

Quando poluímos a atmosfera, por exemplo com fumaça, mudamos o número de partículas no céu, o que altera o brilho das nuvens: elas ficam mais brancas, refletindo mais os raios do sol e esquentando com menos facilidade. Isso reduziu o aquecimento global devido aos gases do efeito estufa, como o dióxido de carbono, que experimentamos nos últimos 100 anos, talvez pela metade, talvez por um quarto. Os efeitos das partículas na temperatura da Terra são muito incertos. Precisamos entendê-las melhor para descobrir exatamente que tipo de aquecimento (ou resfriamento) elas causam [1]. 

Fabricação de partículas

O ar é feito principalmente de moléculas de nitrogênio e oxigênio, mas existem muitas outras moléculas flutuando no ar. Algumas moléculas que compõe o ar são mais pegajosas do que outras. (Para uma explicação detalhada, veja Janela 1). A água é bastante pegajosa, mas algumas moléculas são tão pegajosas que podem formar partículas ao se unir sozinhas, sem a superfície de que a água precisa. Damos a esse processo de união o nome de nucleação. 

Por que algumas moléculas são mais pegajosas do que outras? 

Mais acima, descrevi algumas moléculas como “mais pegajosas” do que outras. Isso significa que elas são mais fortemente atraídas por meio de forças elétricas em direção a outras. Todos os átomos consistem de um pequeno núcleo e alguns elétrons que ficam em volta dele. A disposição dos elétrons em torno do núcleo depende do tipo de átomo [por exemplo, na água (H₂O), se se trata de um átomo de hidrogênio ou um átomo de oxigênio]. Em moléculas como a água (H₂O), os elétrons são compartilhados entre os átomos. Se os átomos na molécula são iguais [como na molécula de oxigênio, (O₂)], o compartilhamento é igual. Se os átomos são diferentes, geralmente alguns atraem mais elétrons do que os outros. Na água, o oxigênio atrai mais elétrons do que o hidrogênio, ficando com maior número deles ao seu redor: o compartilhamento não é igual. 

Os elétrons têm carga elétrica negativa. Como a maioria dos elétrons na água estão ao redor do átomo de oxigênio, não dos dois átomos do hidrogênio, o átomo de oxigênio acaba ficando ligeiramente negativo, enquanto os dois átomos de hidrogênio ficam ligeiramente positivos. O átomo de oxigênio em uma molécula de água pode atrair os átomos de hidrogênio de outra molécula de água porque as cargas diferentes se atraem. Isso torna a água mais pegajosa do que moléculas simétricas como o hidrogênio (H₂) ou o oxigênio (O₂), onde os elétrons são compartilhados igualmente. 

Quanto mais pegajosa for uma molécula, mais provável será que ela forme um líquido ou um sólido em vez de um gás. Isso explica por que a água é líquida à temperatura ambiente, enquanto o oxigênio e o hidrogênio são gases. O ácido sulfúrico e as moléculas produzidas pelos terpenos (veja mais adiante) são mais pegajosos até do que a água. Na atmosfera, eles se unem primeiro e a água se liga a eles depois para formar gotículas de nuvens. 

Como vimos na Figura 1, cerca de metade das partículas que agem como sementes de nuvens no céu vêm da terra – fuligem, poeira ou pólen, por exemplo. Nós as chamamos de partículas primárias. A outra metade é feita por nucleação, quando os gases mais pegajosos do céu se juntam [2]. O estudo que publicamos recentemente é sobre quais gases no céu se unem para formar as partículas que agem como as sementes de nuvens. 

O que já sabíamos sobre a formação das partículas

Provavelmente, a melhor molécula para formar partículas no céu é o ácido sulfúrico. O ácido sulfúrico vem dos vulcões, do plâncton no mar ou da queima de combustíveis fósseis. As moléculas de ácido sulfúrico são muito boas em aderir à água. E também em aderir umas às outras. Isso significa que podem formar partículas no céu e aderir à água, para formar as sementes das gotículas de nuvens. 

No entanto, muitas vezes não há ácido sulfúrico suficiente para atuar como sementes de nuvens. Uma molécula de ácido sulfúrico tem apenas meio nanômetro de diâmetro, então são necessárias muitas moléculas para formar uma partícula de 50 nm de diâmetro (grande o suficiente para funcionar como uma semente de nuvem). E quando duas moléculas de ácido sulfúrico se juntam, podem facilmente se separar novamente. É bastante improvável que um aglomerado de duas moléculas se transforme em uma semente de nuvem. 

Outras moléculas podem impedir que as de ácido sulfúrico se desintegrem, ao unirem a pequena parte de ácido sulfúrico. As moléculas de ácido sulfúrico podem aderir umas às outras, mas existem outras moléculas às quais ocorre uma aderência melhor. Essas moléculas podem impedir que o aglomerado se desfaça por tempo suficiente para permitir que mais moléculas de ácido sulfúrico o alcancem, grudem nele e o façam crescer. Uma partícula maior é muito menos propensa a se desfazer porque muitas moléculas estão presas dentro da partícula e não conseguem escapar. Esse mecanismo é mostrado na Figura 2. 

Nosso estudo: o que une as moléculas de ácido sulfúrico? 

Uma boa cola para as moléculas de ácido sulfúrico é a amônia [3]. Como o ácido sulfúrico, a amônia é venenosa em grandes quantidades, mas você possui um pouco dela em seu corpo. Ela é a causa do cheiro da urina. A partir dos dados que coletamos em nosso estudo, estimamos que quase dois terços das partículas na atmosfera que eram feitas de ácido sulfúrico também precisavam de amônia para unir as moléculas de ácido. 

Outras boas colas para as moléculas de ácido sulfúrico vêm das árvores [4]. As árvores, principalmente os pinheiros, emitem moléculas que chamamos de terpenos, que se encontram no decapante (aguarrás). Os terpenos também fazem com que as florestas de pinheiros tenham um cheiro fresco – muito mais agradável que o de urina! Depois de algumas reações químicas com outras coisas no ar, essas moléculas também formam uma boa cola. A partir do nosso estudo, estimamos que cerca de uma em cada cinco partículas na atmosfera foram formadas com terpenos como cola. E, em alguns casos, as moléculas relacionadas aos terpenos não são apenas uma boa cola, elas podem produzir partículas sem ácido sulfúrico [5]. 

Há uma última coisa que nós estudamos que é importante para criar partículas no céu: “raios cósmicos”. Existem partículas subatômicas (muito, muito pequenas) do espaço sideral que atingem a Terra o tempo todo. Os raios cósmicos podem colidir com o ácido sulfúrico ou outras moléculas na atmosfera e torná-los mais pegajosos. Eles fazem isso arrancando elétrons das moléculas com as quais colidem, deixando-as carregadas positivamente. Os elétrons podem então aderir a outras moléculas, tornando-as negativas. Assim como cargas iguais se atraem, moléculas eletricamente carregadas também podem se atrair dentro de uma partícula. Isso ajuda as partículas a permanecer juntas sem se desfazer [6]. Nosso estudo nos permitiu estimar, melhor que antes, a importância dos raios cósmicos na formação de partículas na atmosfera. 

Como descobrimos tudo isso? 

Os cientistas, geralmente, testam suas ideias fazendo experiências. Temos um laboratório especial na Suíça onde podemos fazer experiências para produzir partículas. Fica em um grande centro de pesquisas chamado CERN, no mesmo local do Grande Colisor de Hádrons (LHC). O LHC é um experimento muito maior que força partículas subatômicas (muito semelhantes aos raios cósmicos) a se unir. Os cientistas do LHC fazem isso para tentar aprender como o Universo começou e o que há dentro dos átomos de que somos feitos. Nosso experimento menor é chamado CLOUD, que significa Cosmics Leaving Outdoor Droplets. 

Os experimentos CLOUD [1] (http://cloud.web.cern.ch/) ocorrem em um grande tanque de metal, com cerca de três metros de altura e largura, que é preenchido pelo ar. No tanque (Figura 3), misturamos gases que achamos que vão formar partículas e medimos a rapidez com que as partículas aparecem. Na atmosfera, existem todos os tipos de gases e é difícil descobrir quais gases estão ou não produzindo partículas. 

Nosso tanque é especial por ser extremamente limpo: nosso ar é produzido artificialmente pela mistura de nitrogênio e oxigênio líquidos, e selado para que nenhuma poluição externa entre. Colocamos apenas alguns gases e sabemos exatamente quanto de cada gás colocamos. Isso nos permite medir o quão pegajoso é cada gás. 

Usando o CLOUD, também podemos ver como os raios cósmicos ajudam a produzir partículas semeadoras de nuvens, enviando para o nosso tanque partículas subatômicas muito menores, geradas em outros experimentos do CERN. Isso tem o mesmo efeito do que enviar raios cósmicos através do nosso tanque. Do mesmo modo que os raios cósmicos, as partículas subatômicas tornam as moléculas mais pegajosas. Podemos ver quantas partículas a mais produzimos quando acionamos esses raios cósmicos artificias, o que nos ajuda a averiguar se os raios cósmicos estão afetando a formação de partículas. 

Na atmosfera, o número de partículas de raios cósmicos é maior em grandes altitudes (em aviões ou no topo de montanhas, por exemplo) do que ao nível do solo, porque são absorvidas pelo ar. Portanto, ativando partículas extras dos outros experimentos do CERN, podemos replicar as condições da alta atmosfera. Essa é a razão principal pela qual o experimento CLOUD precisa estar no CERN. Depois de medirmos a união dos gases no experimento CLOUD, usamos os resultados em uma simulação computadorizada de partículas na atmosfera. Trata-se de um conjunto de receitas matemáticas para todos os processos da Figura 1, escritas em um grande programa de computador [7].

Esse programa (Figura 4) nos informa a quantidade de gás pegajoso em todos os pontos da baixa atmosfera (altitude inferior a cerca de 20 km). Com esses dados a respeito da quantidade de gases, podemos então usar os resultados dos experimentos da CLOUD para avaliar quantas partículas se formarão em um segundo ou em um dia. Assim que temos as partículas em nossa simulação, modelamos como elas crescem ou se unem para formar sementes de nuvens e como se perdem no solo. Isso nos diz quão importantes são as diferentes maneiras pelas quais as partículas podem se formar em todos os pontos da atmosfera. 

O que isso tudo significa?

Duzentos anos atrás, havia na atmosfera cerca de metade do ácido sulfúrico que há agora. Isso ocorre principalmente porque queimamos muito carvão nos últimos duzentos anos. Então, o material que produz sementes de nuvens agora pode ser bem diferente do que aquilo que as produzia há duzentos anos. Antes que começássemos a queimar muito carvão, a liberação de terpenos das árvores deve ter sido maior e a do ácido sulfúrico, menor [8]. 

No futuro, quando pararmos de queimar carvão sujo, a liberação de terpenos das árvores aumentará novamente. Em alguns lugares, teremos menos ácidos para produzir sementes de nuvens e haverá menos sementes de nuvens em geral. As nuvens, provavelmente, terão a mesma quantidade de água, mas menos gotículas. Isso pode torná-las mais propensas a liberar sua água como chuva. Serão mais escuras, levando ao aquecimento do planeta, como já discutimos [1]. Nosso estudo dá uma estimativa de quão importantes são as moléculas das árvores, em comparação com a amônia, para produzir partículas de sementes de nuvens. Essa informação ajudará os cientistas a estimar quanta diferença um ar mais limpo poderá representar para o nosso clima. 

Glossário

Aglomerado: Pequeno número de moléculas que se juntaram. Os aglomerados podem se transformar em partículas atmosféricas se mais moléculas colidirem com eles e  aderirem à sua massa. 

Gás de efeito estufa: Gás na atmosfera que absorve energia do Sol, por exemplo, dióxido de carbono. Moléculas contendo mais de dois átomos provavelmente são gases de efeito estufa. 

Nucleação: No contexto deste artigo, significa a formação de partículas no céu por meio da união de moléculas de gás. Também chamada de “formação secundária de partículas” ou “nova formação de partículas”. 

Semente de nuvens: Partícula encontrada na atmosfera em que a água pode se condensar para formar uma gota de nuvem. Usualmente, as sementes de nuvens devem ter pelo menos 50 nm de diâmetro. 

Partícula primária: Uma partícula na atmosfera que vem diretamente do chão, ao invés de ser formada pela nucleação. Exemplos de partículas primárias, frequentemente vistas na atmosfera, incluem fumaça (fuligem), poeira e sal do mar. 

Terpenos: Moléculas emitidas pelas árvores, com fórmula química C₁₀H₁₆. A reação dessas moléculas com o oxigênio leva a moléculas que formam partículas. 

Raio cósmico: Partículas subatômicas de alta energia que atingem a Terra vindas do espaço sideral. 

CERN: Organização Europeia de Pesquisa Nuclear, sede do experimento CLOUD e de vários outros experimentos envolvendo partículas subatômicas. Os maiores experimentos no CERN usam partículas subatômicas do Large Hadron Collider (LHC). 

Partículas subatômicas: Partículas menores do que os átomos. As partículas subatômicas mais comuns são os prótons, os neutros e os elétrons, que formam os átomos. Os raios cósmicos podem conter mais partículas exóticas subatômicas, por exemplo píons ou múons. 

Altitude: Altura acima da superfície da Terra. 

Fonte original

Dunne, E. M., Gordon, H., Kürten, A., Almeida, J., Duplissy, J., Williamson, C. et al. 2016. “Global atmospheric particle formation from CERN CLOUD measurements.” Science 354:1119–24. doi: 10.1126/science.aaf2649. 

Referências

[1] Stocker, T. F., Qin, D., Plattner, G-K., Tignor, M., Allen, S. K., Boschung, J. et al., orgs. 2013. “Climate change 2013: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the IPCC.” Cambridge, UK: Cambridge University Press. 

[2] Merikanto, J., Spracklen, D. V., Mann,↑ G. W., Pickering, S. J. e Carslaw, K. S. 2009. “Impact of nucleation on global CCN.” Atmos. Chem. Phys. 9:8601–16. DOI: 10.5194/acp-9-8601-2009.

[3] Kulmala, M., Pirjola, U. e Mäkelä, J. M. 2000. “Stable sulfate clusters as a source of new atmospheric particles.” Nature 404:66–9. DOI: 10.1038/35003550.

[4] Went, F. W. 1960. “Blue hazes in the atmosphere.” Nature 187:641–3. DOI:10.1038/187641a0. 

[5] Kirkby, J., Duplissy, J., Sengupta, K., Frege, C., Gordon, H., Williamson, C. et al. 2016. “Ion-induced nucleation of pure biogenic particles.” Nature 533:521–6. DOI: 10.1038/nature17953.

[6] Kirkby, J., Curtius, J., Almeida, J., Dunne, E., Duplissy, J., Ehrhart, S. et al. 2011. “Role of sulphuric acid, ammonia and galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation.” Nature 476:429–33. DOI:10.1038/nature10343.

[7] Spracklen, D. V., Pringle, K. J., Carslaw, K. S., Chipperfield, M. P. e Mann, G. W. 2005. “A global off-line model of size-resolved aerosol microphysics: I. Model development and prediction of aerosol properties.” Atmos. Chem. Phys.. 5:2227–52. DOI: 10.5194/acp-5-2227-2005.

[8] Gordon, H., Sengupta, K., Rap, A., Duplissy, J., Frege, C., Williamson, C. et al. 2016. “Reduced anthropogenic aerosol radiative forcing caused by biogenic new particle formation.” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:12053–8. DOI: 10.1073/pnas. 1602360113. 

Citação

Gordon, H. (2017). “Studying the seeds for clouds at the CERN Research Labs.” Front. Young Minds. 5:43. DOI: 10.3389/frym.2017.00043. 

Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Creative Commons Attribution License (CC BY). O uso, distribuição ou reprodução em outros fóruns é permitido, desde que o(s) autor(es) original(is) e o(s) proprietário(s) dos direitos autorais sejam creditados e que a publicação original nesta revista seja citada, de acordo com a prática acadêmica aceita. Não é permitido nenhum uso, distribuição ou reprodução que não esteja em conformidade com estes termos.