Nuvens e o Aerossol Atmosférico. Leonardo Baptista

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1 Nuvens e o Aerossol Atmosférico Leonardo Baptista

2 Estrutura da atmosfera Massa da atmosfera (ar seco): 5, kg

3 Qual a composição da atmosfera?

4 Composição da atmosfera Nitrogênio: 78,084% Oxigênio: 20,946% Argônio: 0,9340% Dióxido de carbono: 0,0390% Neônio: 0,001818% Material particulado Sólidos e líquidos em suspensão na atmosfera

5 Aerossol atmosférico O termo aerossol foi criado por Schumauss em 1920 e designa as suspensões relativamente estáveis de partículas sólidas ou gotículas, dispersas em um gás, com dimensões inferiores a 100μm O aerossol troposférico atua como um conjunto de minireatores que promovem a retirada de gases da atmosfera, seguido por difusão e reações químicas no aerossol e posterior liberação dos produtos de volta à atmosfera

6 Aerossol atmosférico O termo se aplica a mistura de partículas sólidas e líquidas na atmosfera As nuvens são formadas por gotículas com dimensão de µm Nuvens e aerossol não são entidades separadas As nuvens dependem do aerossol para a sua formação

7 Exemplos: Neblina

8 Exemplos: Poeira Poeira Coréia Japão

9 Exemplos: Poeira Do continente africano para o oceano Atlântico

10 Exemplos: Fumaça

11 O problema em questão Sabe-se que as partículas em suspensão alteram o clima, afetam a visibilidade e saúde humana; Mas não se entende completamente: O processo de formação destas partículas Sua composição Destino final Processo pelos quais estas partículas passam

12 Vamos discutir o que sabemos sobre o aerossol atmosférico

13 Propriedades Deposição gravitacional negligenciável Efeitos inerciais desprezíveis Movimento Browniano significativo devido à agitação térmica das moléculas do gás Elevada área superficial específica

14 Características O aerossol troposférico é mais variado na distribuição espacial e temporal e na natureza química Processos mecânicos liberam na atmosfera partículas com tamanho superior a 2µm (moda grossa) Fumaça de vulcões, spray marinho, pólen, poeira suspensa pelo vento, partículas de pneus e lona de freio Composição: Fe, Ca, Si, Al, Na, Cl

15 Características Processos de combustão liberam partículas com tamanho inferior a 2µm (moda fina) Espécies encontradas na fração fina: SO42-, NO3-, NH4+

16 Composição do Aerossol Troposférico Classificações: Marinho Continental(Rural, Urbano ou Aerossol de Deserto) Polar Área urbana Área remota

17 Composição do aerossol estratosférico Contem uma fração considerável de compostos pequenos de enxofre O aerossol apresenta um longo tempo de vida Presença de OCS e SO2 vulcânico A composição exata depende da temperatura e da concentração de vapor d água

18 Formação do aerossol atmosférico

19 Características das partículas atmosféricas segundo o seu tamanho

20 Aerossol secundário Formado a partir de reações que ocorrem na atmosfera Constituintes Aerossol de sulfato H2SO4 Produtos de oxidação de compostos orgânicos voláteis

21 Aerossol secundário Aerossol de sulfato Oxidação do SO2 e H2S na atmosfera a sulfato e ácido sulfúrico Aerossol de nitrato Formado pela oxidação dos compostos NOx e NH3 emitidos por fontes antropogênicas e biogênicas Aerossol orgânico Oxidação de terpenos na atmosfera e outros COVs emitidos na atmosfera

22 Alguns terpenos encontrados na atmosfera

23 Aerossol Secundário Os terpenos presentes na atmosfera podem ser oxidados por O3 e pelo radical OH Os produtos de oxidação participam da formação do aerossol secundário e atuam como núcleos de condensação de nuvens

24 Aerossol de sulfato e a regulação climática Ciclo do enxofre

25 Fluxo de energia na Terra

26 Efeitos radiativos As partículas do aerossol refletem a radiação solar de volta para o espaço Variações no tamanho e composição química do aerossol alteram o espalhamento de luz A explosão do Monte Pinatubo levou a um resfriamento da superfície terrestre Este efeito não cancela o efeito estufa

27 Smog Fotoquímico Poluição causada pelo ozônio Londres São Paulo

28 Smog = Smoke + Fog Óxidos de nitrogênio e COvs são produtos comuns da atividade humana Este poluentes tendem a se a acumular devido a condições metereológicas favoráveis e sofrem reações fotoquímicas Formação de: Nitrato de peroxiacetila (PAN) Ozônio Aldeídos Estes poluentes afetam as plantas e a saúde humana

29 O problema do ozônio Ozônio é produzido na troposfera de centros urbanos e sobre regiões rurais de países industrializados O ozônio e seu derivado fotoquímico, o radical OH, são os principais agentes oxidantes encontrados na atmosfera Devido aos seus efeitos deletérios a saúde humana e em plantas, a alta concentração de ozônio próximo à superfície o torna um grande poluente atmosférico

30 Resolução nº 3 de 28 de junho da CONAMA A concentração de ozônio durante o dia deve ser inferior a 80,16 ppb e este valor só pode ser excedido uma vez por ano

31 Formação do ozônio na atmosfera urbana A única reação importante de formação de ozônio na troposfera é: O (3P) + O2 O3 Como o átomo de oxigênio é formado? NO2 + hν (λ< 430 nm) O (3P) + NO

32 Processos que Ocorrem no Aerossol atmosférico

33 Reações do íon cloreto em partículas de sal marinho

34 Exemplo de reação química sobre a superfície de uma gotícula de água: Aerossol de sulfato aquoso super frio Aglomerado de H2SO4/H2O sobre a superfície da rede aquosa Estruturas otimizadas para a desprotonação do H2SO4 aquoso

35 Reações ácido-base de partículas presentes no aeressol Praticamente todo H2SO4 formado na atmosfera se converte a partículas Ocorrência de deposição seca ou úmida Na troposfera a acidez é neutralizada devido a presença de NH3 e NH4+ A presença de espécies básicas ou ácidas em solução pode alterar o ambiente químico das nuvens e catalisar diversas reações químicas

36 Processos de remoção ligados ao aerossol Deposição seca Depende do tamanho da partícula Deposição úmida Retirada da atmosfera via precipitação das nuvens Partículas de 0,1 a 1 µm Remoção via nucleação Aerossol atua como NCN

37 Solubilidade de gases em gotas Importante para oxidação de algumas espécies, conversão gás-partícula e ciclos químicos de várias espécies 70% da oxidação de SO2 para SO42- ocorre em fase aquosa

38 Formação das nuvens

39 Formação de nuvens Quando a parcela de ar está em ascensão, ela sofre uma expansão adiabática Atinge o ponto de saturação e na presença de núcleos de condensação de nuvens (NCN) começam a condensar O NCN são necessários para a transição vaporlíquido A condensação vem acompanhada de liberação de calor latente, inibindo o resfriamento Visto que a formação de gelo depende da presença de núcleos de gelo, a nuvem pode atingir temperaturas de até -40ºC

40 Formação de nuvens Muitos textos propõe que os NCN devem ser solúveis em água para que ocorra a nucleação Núcleos de gelo não precisam ser solúveis em água Atualmente é desconhecida a estrutura destes núcleos de gelo

41 A função das nuvens na química troposférica Refletem radiação emitida pelo sol (albedo) e pela superfície terrestre O albedo é alterado de acordo com o tipo de NCN A presença de nuvens influencia processos fotoquímicos Remove espécies solúveis da fase gasosa Participa de reações de oxidação Remove material particulado da troposfera por meio de precipitação

42 Características Maioria das nuvens ocorre na baixa atmosfera 10% da massa total da atmosfera está contida em sistemas de nuvens A eficiência de precipitação é de 50% A presença das nuvens influencia em processos fotoquímicos Removem espécies solúveis da atmosfera Servem como meio reacional para reações na atmosfera

43 Características As nuvens formadas sobre atmosfera marinha diferem das nuvens continentais devido ao tipo e número de NCN encontrados em cada ambiente Maior número de NCN leva a gotas menores e nuvens mais estáveis Menor número de NCN leva a gotas maiores e nuvens menos estáveis

44 Tipos de nuvens

45 Tipos de nuvens O tipo de nuvem é determinado segundo a forma, altura e comportamento Cumulus: forma de monte ou pilhas Stratus: formada em camadas Cirrus: em forma de anel, nuvens fibrosas, Castellanus: forma de castelo Lenticularus : forma de lentes, formada sobre montanhas com ventos fortes Nimbus: nuvens que levam a formação de chuvas Fracto: nuvens quebradas Alto: nuvens formadas em grande altitudes

46 Tipos de nuvens: Cirrus

47 Tipos de nuvens: Cirrostratus

48 Tipos de nuvens:cirrocumulus

49 Tipos de nuvens:stratus

50 Tipos de nuvens:stratocumulus

51 Tipos de nuvens:altocumulus

52 Tipos de nuvens: Altocumulus castellanus

53 Tipos de nuvens: Altocumulus lenticularis

54 Tipos de nuvens:cumulonimbus

55 Tipos de nuvens:nimbostratus

56 Nuvens estratosféricas polares No inverno antártico a temperatura da estratosfera pode alcançar -88 C Nestas temperaturas formam-se nuvens esparsas chamadas de nuvens estratosféricas polares Nestas nuvens formas-se uma grande quantidade de cristais de gelo No entanto estas nuvens podem ser formadas em temperaturas mais elevadas (> 191 K) devido a presença de ácido nítrico Estima-se que o processo de nucleação das partículas ocorra devido a presença de H2SO4

57 Nuvens estratosféricas polares Importância Conversão de HCl e ClONO2 em compostos ativos de cloro como Cl2 devido a reações em fase heterogênea.

58 Nuvens estratosféricas polares

59 Considerações finais Nuvens e aerossol não são entidades separadas O clima terrestre depende de suas propriedades Até o momento não se entende por completo o aerossol atmosférico

60 Bibliografia e textos consultados Alves, C., Aerossóis atmosféricos: Perspectiva histórica, fontes, processos químicos de formação e composição orgânica, Química Nova, v. 28, p. 859, 2005 Brausser, G. P., Orlando, J.J., Tyndall, G. S., Atmospheric Chemistry and Global Change, New York: Oxford University Press, Inc., capítulos 4 e 10, 1999 Charlson, R.J., Schwartz, S.E., Hales, J.M., Cess, R.D., Coakley Jr., J.A., Hansen, J.E., Hofmann, D.J.; Climate forcing by anthropogenic aerosols, Science, v. 255, p. 423, 1992 Barbara J. Finlayson-Pitts Phys. Chem. Chem. Phys., 2009, 11,

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