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.