Adalgiza Fornaro INTRODUÇÃO À QUÍMICA ATMOSFÉRICA
Transcrição
Adalgiza Fornaro INTRODUÇÃO À QUÍMICA ATMOSFÉRICA
Universidade de São Paulo Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas Departamento de Ciências Atmosféricas DCA/IAG/USP INTRODUÇÃO À QUÍMICA ATMOSFÉRICA Adalgiza Fornaro Departamento de Ciências Atmosféricas, IAG/USP [email protected] Aula 7 de março de 2013 Atmosfera é a camada de ar que envolve a Terra do grego atmos = vapor do latim sphaera = invólucro. Assim, a palavra atmosfera pode significar: invólucro de vapor. Química - O estudo das interações das substâncias químicas e destas com a energia, baseado nas estruturas dos átomos, moléculas e outros tipos de agregações. Espessura da atmosfera Atmosfera ~30 km ~90% do peso da atmosfera em ~15 km Fina camada que mantém toda a VIDA do Planeta Meteorology Today Composição do ar seco ao nível do mar Composição do ar seco ao nível do mar. Gás Gases majoritários Gases traço vapor de água - H2O 0-5% 99,999% Atmosfera terrestre % volume Nitrogênio N2 78,084 Oxigênio O2 20,948 Argônio Ar 0,934 Dióxido de carbono CO2 0,033* Neônio Ne 0,00182 Hidrogênio H2 0,0010 Hélio He 0,00052 Metano CH4 0,0002* Criptônio Kr 0,0001 Monóxido de carbono CO 0,00001* Xenônio Xe 0,000008 Ozônio O3 0,000002* Amônia NH 3 0,000001 Dióxido de nitrogênio NO 2 0,0000001* Dióxido de enxofre SO2 0,00000002* Óxido nitroso N2O 0,00003* Atmosfera terrestre Gas Símbolo Quantidade Nitrogênio N2 78.08% 77.30% 76.52% 75.74% 74.96% Oxigênio O2 20.95% 20.74% 20.53% 20.32% 20.11% 0% 1% 2% 3% 4% 0.93% 0.92% 0.91% 0.90% 0.89% vapor de água Argônio H2O Ar A energia se propaga através do espaço na forma de ondas eletromagnéticas. Esta forma de propagação de energia é chamada de radiação. A radiação proveniente do Sol é denominada de radiação solar. A radiação solar é a fonte de energia responsável pelos movimentos atmosféricos, ventos, determinando os padrões de tempo meteorológico e de clima. Aulas: Prof. Amauri Pereira de Oliveira Transformações da energia solar 30% é refletida de volta para o espaço 47% é convertida em calor 99,98% da energia da Terra vem do Sol. Desse total: 23% evapora e precipita água (forma nuvens e chuva) 0,26% cria ventos, ondas e correntes marítimas 0,023% se transforma em celulose, pela fotossíntese Ildo Sauer, Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE/USP) Revista Carta Capital, ano XIII, no. 458, 22 de agosto de 2007 Balanço de energia 30% é refletida Saída de 70% de energia infravermelha re-irradiância por nuvens e atmosfera 25% absorvida por nuvens e atmosfera 25% refletida por nuvens e atmosfera Retenção por gases estufa 5% refletida pela superfície 45% absorvida por oceanos e continentes ( “tempo”) Energia infra-vermelha re-irradiada pela superfície A radiação solar é definida como a quantidade de energia por unidade de área e unidade de tempo, ou fluxo de energia solar. O fluxo de energia que atinge a Terra é constante e igual a 1366 Wm-2. A energia é medida em Joules [J], enquanto que energia por unidade de tempo = Joules por segundo [J.s-1] = Watts [W]. Aulas: Prof. Amauri Pereira de Oliveira A radiação solar mantém a temperatura média da superfície da Terra em torno de 15oC (59oF), mas com grandes variações de temperatura: - valores mínimos atingindo a Antártica -85oC (-121oF), e - máximos no deserto subtropical de 50oC (122oF). Escalas de temperatura (Fonte: Meteorology Today) Balanço de energia Atmosfera Equador Área coberta em altas latitudes Próximo ao Pólo, apenas 5% da energia do Sol atinge a superfície No Equador, ~75% da energia do Sol atinge a superfície Área coberta na região do Equador S é a intensidade da radiação solar que atinge a Terra Aulas: Prof. Amauri Pereira de Oliveira Albedo pode ser definido como: As observações com satélite indicam que o albedo médio da Terra é igual a 0,30. Logo cerca de 30 % da radiação solar interceptada pela Terra é refletida de volta para o espaço, pela atmosfera (gases, aerossóis, nuvens) e pela superfície (floresta, regiões urbanas, agrícolas, oceanos, etc). Aulas: Prof. Amauri Pereira de Oliveira Aulas: Prof. Amauri Pereira de Oliveira Balanço de energia na Terra (Fonte: Meteorology Today) Radiação solar energia de saída = energia de entrada Com base na hipótese de conservação de energia válida para a entrada e saída de energia na escala tempo maior do que a anual e considerando que a temperatura média da Terra não está variando com o tempo tem-se: É possível estimar a temperatura de emissão radiação da Terra combinando estas duas expressões anteriores: = -18,3oC A temperatura de equilíbrio é da ordem de -18oC, é bem menor do que a temperatura média da superfície da Terra que oscila em torno de +15oC. O que faz com a temperatura da superfície da Terra seja maior é o efeito estufa da atmosfera. Os gases constituintes da atmosfera interagem com a radiação solar absorvendo somente 17 % da radiação incidente no topo da atmosfera. Considerando que cerca de 30 % é refletido, então em média, 53 %, chega na superfície da Terra. Estes mesmos gases impedem que toda esta energia seja perdida pela superfície. Efeito estufa Temperatura -18 oC Temperatura 15 oC Gases estufa: H2O, CO2, N2O, CH4,O3, CFCs CFCs = compostos de cloro flúor carbono Diagrama do balanço de energia na atmosfera terrestre http://www.srh.noaa.gov/jetstream/atmos/energy_balance.htm Usando 100 unidades de energia do sol como linha base, o balanço energético a partir do topo, na atmosfera propriamente e na superfície terrestre estão apresentados a seguir: No topo da atmosfera - Energia recebida do sol em equilíbrio com saída de energia da terra. Energia recebida Unidades +100 Fonte Radiação de ondas curtas recebida do sol Energia de saída Unidades Fonte -23 -7 Radiação de ondas curtas refletida de volta para o espaço pelas nuvens. Radiação de ondas curtas refletida para o espaço pela superfície terrestre. -49 Radiação de ondas longas emitida da atmosfera para o espaço. -9 Radiação de ondas longas emitida das nuvens para o espaço. -12 +100 Radiação de ondas longas emitida da superfície da terra para o espaço. -100 http://www.srh.noaa.gov/jetstream/atmos/energy_balance.htm Atmosfera propriamente - Energia que entra é balanceada com energia que sai a partir da atmosfera. Energia recebida Unidades +19 Fonte Absorção de radiação de ondas curtas por gases na atmosfera. +4 Absorção de radiação de ondas curtas por nuvens. +104 Absorção de radiação de ondas longas emitidas pela superfície terrestre. +5 Correntes convectivas (ascensão do ar aquecido na atmosfera). +24 Processos de condensação /deposição de vapor de água (calor é liberado para a atmosfera). +156 Energia de saída Unidades Fonte -9 Radiação de onda longa emitida para o espaço pelas nuvens. -49 Radiação de onda longa emitida para o espaço por gases na atmosfera. -98 Radiação de ondas longas emitida à superfície terrestre por gases na atmosfera. -156 http://www.srh.noaa.gov/jetstream/atmos/energy_balance.htm Superfície terrestre - Energia absorvida é balanceada com a energia emitida. Energia recebida Unidades Fonte +47 Absorção de radiação de ondas curtas provenientes do sol. +98 Absorção de radiação de ondas longas por gases na atmosfera. +145 Energia de saída Unidades Fonte -116 Radiação de onda longa emitida pela superfície. -5 Remoção de calor por convecção (subida de ar quente). -24 Calor exigido pelos processos de evaporação e sublimação e, portanto, removido da superfície. -145 http://www.srh.noaa.gov/jetstream/atmos/energy_balance.htm termosfera “calor” T↑ mesosfera “em entre” T↓ até mínimo estratosfera em camadas mistura vertical é inibida troposfera transformar ou alterar ~6,5 oC km-1 Perfil vertical de temperatura na atmosfera. (Fonte: Meteorology Today) • Abaixo de uma altitude de 10 km (troposfera) a temperatura diminui de 290 K (~17oC) para 215 K (~-58oC) enquanto a altitude aumenta. • Na estratosfera (10 km - 50 km) a temperatura aumenta de 215 K para 275 K. • Na mesosfera (50 km - 85 km) a temperatura diminui 275 K (~-58oC) para 190 K (~-83oC) e na termosfera (> 85 km) a temperatura aumenta. • Aos limites entre as regiões são dados o sufixo –pausa. • Há lenta mistura de gases entre as diferentes regiões na atmosfera. Estrutura vertical da temperatura e da pressão Pressão (mb) termosfera Altitude (m) mesopausa mesosfera estratopausa estratosfera tropopausa troposfera Temperatura (oC) TK = TC + 273,15 Estrutura atmosférica: variação do perfil da temperatura em diferentes latitudes Camadas da atmosfera: perfil de temperatura http://www.srh.noaa.gov/jetstream/atmos/layers.htm#ion A variação da pressão com a altitude é mais simples: a pressão diminui enquanto a altitude aumenta. As quantidades relativas dos gases atmosféricos majoritários permanece constante até ~80Km mas, como indicado pela diminuição da pressão com o aumento da altitude (figura ao lado), a quantidade absoluta de cada gás diminui. Distribuição vertical de massa na atmosfera. (Fonte: Meteorology Today) Variação da pressão do ar na atmosfera. (Fonte: Meteorology Today) Camadas da atmosfera. (Fonte: Meteorology Today) Composição da atmosfera • A atmosfera terrestre é afetada pela temperatura e pela pressão, bem como pela gravidade. • As moléculas e os átomos mais leves são encontrados em altitudes maiores. • Os dois componentes mais importantes da atmosfera são o nitrogênio, N2, e o oxigênio, O2. • Os gases são altamente compressíveis e ocupam o volume total de seus recipientes. • Quando um gás é submetido à pressão, seu volume diminui. • Os gases sempre formam misturas homogêneas com outros gases. • Os gases ocupam somente cerca de 0,1 % do volume de seus recipientes. Atmosfera terrestre permanente: Composição do ar seco Gases permanentes representam a maior parte da massa atmosférica (99,999 %) e ocorrem em proporção constante em toda a atmosfera abaixo de 80 km. Por causa de sua homogeneidade química, nesta região até cerca de 80 km da superfície da terra é chamada de HOMOSFERA. Acima da homosfera está a HETEROSFERA, onde gases leves (como hidrogênio e hélio) tornam-se predominante com o aumento da altitude. Devido variação de sua composição com a altitude, a heterosfera não contém nenhum gás verdadeiramente permanente. Divisão química Do ponto de vista da concentração relativa dos gases, a atmosfera pode ser dividida em duas camadas: homosfera e heterosfera. A homosfera até ~100 km da atmosfera, onde predominam o nitrogênio e oxigênio. Acima de 100 km, localiza-se a heterosfera. Existe ainda, uma camada intermediária entre a homosfera e heterosfera que é denominada de turbopausa. No limite superior da heterosfera, em torno de 500 km de altitude, está localizado o limite superior da atmosfera. A partir deste nível encontramos a exosfera. Os gases que escapam continuamente da atmosfera ocupam a parte superior da heterosfera e, portanto, apresentam menor peso molecular: hidrogênio e hélio. Assim, a exosfera é a região de escape dos gases atmosféricos. Composição química da atmosfera: ar seco Gases traço CH3COOH 700 H2 N2 H2O Argonio H2O2 500 Etano 500 NH3 400 HCHO HNO3 300 300 200 100 78% CO2 O2 500 20% 1% 380 Ne He (5) CH4 (1.8) 18 ppm ppm = 10-6 N2O 310 CO 100 O3 30 ppb ppb = 10-9 SO2 NOx outros ppt ppt = 10-12 GASES VARIÁVEIS são aqueles cuja distribuição na atmosfera varia no tempo e no espaço. O mais abundante dos gases variáveis, vapor de água, ocupa até cerca de 0,25% da massa total da atmosfera. O vapor de água é encontrado em maior abundância até 5 km da atmosfera, enquanto que o ozônio apresenta maiores concentrações entre 25 a 35 km de altitude. Perfil de variação da razão de mistura de alguns gases atmosféricos com a altitude N2 Ar CH4 Região da camada de ozônio Gases majoritários e/ou permanentes (homosfera até ~80km) Exemplos de compostos presentes nas diferentes fases atmosféricas Fase gasosa NO óxido de nitrogênio NO2 dióxido de nitrogênio NH3 amônia N2O5 pentóxido de dinitrogênio HNO3 ácido nítrico (vapor) SO2 dióxido de enxofre MOP (POM) matéria orgânica policíclica HPA (PAH) hidrocarbonetos policíclicos aromáticos Hg2+ íon mercúrio Hgo mercúrio elementar PCBs bifenilas policlorinadas (pesticidas em geral) D/F dioxinas/furanos Exemplos de compostos presentes nas diferentes fases atmosféricas Fase particulada (poeiras, aerossóis) + NH4 íon amônio NO3- íon nitrato Fase aquosa NO3- íon nitrato NH4+ íon amônio Compostos nitrogenados orgânicos Compostos nitrogenados orgânicos SO42- sulfato H2SO4 ácido sulfúrico HSO3- bisulfeto SO42- íon sulfato SO32- sulfeto Hg2+ íon mercúrio Atrazina, alaclor, HgCl2 cloreto de mercúrio cianazina (herbicidas) e produtos de degradação HgO óxido de mercúrio Hgo mercúrio elementar Pb chumbo Cd cadmio PCBs bifenilas policlorinadas D/F dioxinas/furanos MOP (POM) matéria orgânica policíclica PCBs bifenilas policlorinadas Science 13 October 2000: Vol. 290 no. 5490 pp. 299-304 DOI: 10.1126/science.290.5490.299 PATHWAYS OF DISCOVERY The Ascent of Atmospheric Sciences Paul J. Crutzen, Veerabhadran Ramanathan* A Timeline of Atmospheric Sciences http://www.sciencemag.org/content/290/5490/299/T1.expansion.html Entregar no dia 19 de março de 2013: Descrever os perfis de temperatura e de pressão da atmosfera terrestre. Destacar aspectos da composição química considerando estes dois tipos de perfis atmosféricos.
Documentos relacionados
CLIMA versus TEMPO DEFINIÇÕES
» Definição: camada gasosa que envolve o planeta. » Propriedades: Volatilidade; ? Compressão; ? Expansibilidade.
Leia mais