Prova

 Programa de Doutorado em Ciência do Sistema Terrestre Disciplina Ciclos Biogeoquímicos, 2013 1a Prova take-­‐home A biogeoquímica busca a compreensão de processos responsáveis pelo movimento, estocagem e utilização de elementos no ambiente terrestre, assim como a função destes elementos na organização e funcionamento do sistema. Estuda também as consequências ambientais das perturbações de seus fluxos no sistema natural. Para que o investigador possa compreender e dominar essa ciência, é necessário articular conhecimentos básicos nas áreas de química, geologia e biologia, entre outras. As primeiras aulas do nosso curso apresentaram uma revisão sumaria e estruturada dos conhecimentos fundamentais (para a biogeoquímica) destas disciplinas. Esta prova visa avaliar o grau de sucesso individual na apropriação daqueles conhecimentos, que se traduz na capacitação para articulá-­‐los em respostas simples, significativas, concisas e objetivas. O que avaliamos não é memoria, daí ser uma prova take-­‐home (i.é. com consulta). Tampouco são uteis a vosso aprendizado respostas cut & paste da internet. Na ultima aula comecei a ver Vcs articularem os conhecimentos em ótimas perguntas e comentários. É por aí, tomem posse do conhecimento, e o transformem em saber! 1) Química: De que forma o numero de prótons de um átomo determina afinidades e repelências com outros átomos? A quantidade de prótons determina a carga elétrica positiva do núcleo de um átomo contrapondo-­‐se a carga elétrica negativa da eletrosfera. Para estar em “equilíbrio” com o núcleo, i.e. “neutro”, a eletrosfera de um átomo contém o mesmo número de elétrons do que o número de prótons no núcleo. A eletrosfera é organizada em orbitais que descrevem a localização de maior probabilidade dos elétrons. Essas orbitais são preenchidas de acordo com o número de elétrons, e os elétrons nas orbitais mais externas (longe do núcleo) são aqueles que interagem com a eletrosfera de outros átomos. O número de elétrons nessa camada externa, ou camada de valência, determina as afinidades entre os elementos. Para ser estável, a camada de valência necessita de oito elétrons, dessa forma, os elementos interagem ganhando ou perdendo elétrons dessa camada. A complementariedade entre os metais alcalinos, com um elétron na camada de valência, e os halogênios, com sete elétrons nessa camada, explica a grande reatividade entre eles. Por outro lado, os gases nobres, com exceção do Hélio, possuem oito elétrons em sua camada de valência, e portanto não necessitam de reações para ganhar estabilidade. Qual a essência das reações químicas? É a interação energética entre os elementos. A atração ou repulsão eletrônica, determinada pela afinidade entre átomos ou moléculas, resultando na combinação das eletrosferas desses elementos. Olhando do mundo macroscópico, o que muda entre antes e depois de uma reação química? Enquanto no mundo microscópico há conservação de massa e das espécies químicas presentes antes da reação, no mundo macroscópico a experiência física experimentada pode ser completamente diferente daquela anterior a reação, com a produção de substâncias de características diferentes. Porque e como os isótopos de um elemento, sendo variações atômicas com eletrosferas idênticas, podem ser discriminados em processos biogeoquímicos? Isótopos são átomos de um elemento químico cujos núcleos têm o mesmo número atômico, ou seja, contém o mesmo número de prótons, mas que contém diferentes massas atômicas, resultado de diferenças no número de nêutrons nos núcleos atômicos, ou seja, os isótopos são átomos que possuem a mesma quantidade de prótons, mas não a mesma de nêutrons. Os isótopos podem ser estáveis ou instáveis. Os isótopos instáveis são radioativos, ou seja seu núcleo decai, emitindo radiação sob a forma de partículas ou ondas eletromagnéticas, até se converter em um isótopo estável. O tempo de decaimento de metade da massa de um isótopo é chamado de meia-­‐vida. Isótopos possuem propriedades químicas iguais, participando das mesmas reações, mas algumas propriedades físicas diferentes, em decorrência da diferença na massa molecular. Assim, conhecidas essas propriedades, bem como a meia-­‐vida dos isótopos instáveis, a razão entre os isótopos estáveis e instáveis de um elemento pode ser utilizada como traçador em processos biogeoquímicos ao longo de diferentes compartimentos. 2) Geologia: Qual a força fundamental em resposta a qual se organizou o planeta sólido na sua formação e, posteriormente, determinou a formação e a manutenção dos ambientes superficiais? O calor no interior da Terra, inicialmente com a energia interna de formação do planeta, aprisionada na forma de temperatura e pressão, e também através da energia de decaimento nuclear dos processos de fissão que ocorrem no interior no núcleo. Esse calor é então transportado por correntes de convecção no manto que é a força motora dos processos que ocorrem na superfície. De que forma e porque se organizaram os diferentes ambientes à superfície (bacias oceânicas, continentes, montanhas e depressões)? Através de movimentos de grande escala na litosfera terrestre, a deriva continental e a expansão dos fundos oceânicos, que ocorrem devido os movimentos de convecção dentro do manto. Como rocha sólida torna-­‐se substrato para plantas nos continentes? A rocha formada em condições de alta temperatura e pressão é submetida a um reequilíbrio geoquímico pelo intemperismo físico e químico (temperatura e umidade) formado o saprólito, composto por fragmentos de rocha e espaço intersticial. Através da atividade biológica e da presença de compostos orgânicos, o saprólito adquire estrutura, formando os solos, que são os substratos para as plantas. Por que a Terra não perdeu sua água ao longo de bilhões de anos, como os planetas vizinhos? Devido ao campo magnético da Terra, induzido pelo núcleo de ferro do planeta, que é sólido em sua parte interior e envolto por uma parte líquida em movimento. Esse campo magnético protege a Terra dos ventos solares que destruiriam todas as moléculas de água presentes no planeta. 3) Biologia: Sendo a vida um fenômeno muito mais frágil que uma rocha, como ela consegue manter-­‐se por tempos muito mais longos que as próprias rochas? As rochas são frequentemente submetidas a mudanças em seu equilíbrio geoquímico ao serem expostas a condições diferentes a de sua formação. Por outro lado, a vida mantém um estado de equilíbrio dinâmico, através de macromoléculas inteligentes que processam e transmitem informação, reproduzindo sucessos e buscando soluções, e que evoluiu para um complexo sistema de “feedbacks” que regulam os fluxos de matéria e energia, manipulando átomos e moléculas e com uma lógica termodinâmica própria. Que processos inerentes a vida tem relação direta com a regulação fina do ambiente na ecosfera? A vida acumula informação, regula fluxos de matéria e energia, busca o equilíbrio, e é auto regulada. De que forma uma camada tao delgada e heterogênea da superfície, a biosfera, tem a capacidade de afetar compartimentos tão mais massivos como a atmosfera, a hidrosfera e até a litosfera? Através dos processos de apreensão biológica do carbono da atmosfera (fotossíntese), acúmulo de carbono (biomassa) na litosfera e hidrosfera, e liberação do carbono (respiração), a biosfera é capaz de movimentar o equivalente a massa da Terra, somente em carbono, ao longo de 4 bilhões de anos. -­‐-­‐ SANDRO KLIPPEL