INTRODUÇÃO À QUÍMICA ATMOSFÉRICA

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1 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 fornaro@model.iag.usp.br Aula 7 de março de 2013

2 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.

3 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

4 Composição do ar seco ao nível do mar

5 99,999% Composição do ar seco ao nível do mar. Atmosfera terrestre Gases majoritários Gases traço vapor de água - H 2 O 0-5% Gás % volume Nitrogênio N 2 78,084 Oxigênio O 2 20,948 Argônio Ar 0,934 Dióxido de carbono CO 2 0,033* Neônio Ne 0,00182 Hidrogênio H 2 0,0010 Hélio He 0,00052 Metano CH 4 0,0002* Criptônio Kr 0,0001 Monóxido de carbono CO 0,00001* Xenônio Xe 0, Ozônio O 3 0,000002* Amônia NH 3 0, Dióxido de nitrogênio NO 2 0, * Dióxido de enxofre SO 2 0, * Óxido nitroso N 2 O 0,00003*

6 Atmosfera terrestre Gas Símbolo Quantidade Nitrogênio N % 77.30% 76.52% 75.74% 74.96% Oxigênio O % 20.74% 20.53% 20.32% 20.11% vapor de água H 2 O 0% 1% 2% 3% 4% Argônio Ar 0.93% 0.92% 0.91% 0.90% 0.89%

7 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

8 Transformações da energia solar 30% é refletida de volta para o espaço 99,98% da energia da Terra vem do Sol. Desse total: 47% é convertida em calor 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

9 Balanço de energia 30% é refletida Saída de 70% de energia infravermelha 25% absorvida por nuvens e atmosfera 25% refletida por nuvens e atmosfera 5% refletida pela superfície 45% absorvida por oceanos e continentes ( tempo ) Retenção por gases estufa re-irradiância por nuvens e atmosfera Energia infra-vermelha re-irradiada pela superfície

10 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

11 A radiação solar mantém a temperatura média da superfície da Terra em torno de 15 o C (59 o F), mas com grandes variações de temperatura: - valores mínimos atingindo a Antártica -85 o C (-121 o F), e - máximos no deserto subtropical de 50 o C (122 o F). Escalas de temperatura (Fonte: Meteorology Today)

12 Balanço de energia Atmosfera Área coberta em altas latitudes Próximo ao Pólo, apenas 5% da energia do Sol atinge a superfície Equador No Equador, ~75% da energia do Sol atinge a superfície Área coberta na região do Equador

13 S é a intensidade da radiação solar que atinge a Terra Aulas: Prof. Amauri Pereira de Oliveira

14 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

15 Aulas: Prof. Amauri Pereira de Oliveira

16 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:

17 É possível estimar a temperatura de emissão radiação da Terra combinando estas duas expressões anteriores: = -18,3 o C

18 A temperatura de equilíbrio é da ordem de -18 o C, é bem menor do que a temperatura média da superfície da Terra que oscila em torno de +15 o C. 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.

19 Efeito estufa Temperatura -18 o C Temperatura 15 o C Gases estufa: H 2 O, CO 2, N 2 O, CH 4,O 3, CFCs CFCs = compostos de cloro flúor carbono

20 Diagrama do balanço de energia na atmosfera terrestre 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:

21 No topo da atmosfera - Energia recebida do sol em equilíbrio com saída de energia da terra. Energia recebida Energia de saída Unidades Fonte Unidades Fonte +100 Radiação de ondas curtas recebida do sol 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 Radiação de ondas longas emitida da superfície da terra para o espaço.

22 Atmosfera propriamente - Energia que entra é balanceada com energia que sai a partir da atmosfera. Energia recebida Energia de saída Unidades Fonte Unidades Fonte +19 Absorção de radiação de ondas curtas por gases na atmosfera. -9 Radiação de onda longa emitida para o espaço pelas nuvens. +4 Absorção de radiação de ondas curtas por nuvens. -49 Radiação de onda longa emitida para o espaço por gases na atmosfera Absorção de radiação de ondas longas emitidas pela superfície terrestre. -98 Radiação de ondas longas emitida à superfície terrestre por gases na atmosfera. +5 Correntes convectivas (ascensão do ar aquecido na atmosfera). +24 Processos de condensação /deposição de vapor de água (calor é liberado para a atmosfera)

23 Superfície terrestre - Energia absorvida é balanceada com a energia emitida. Energia recebida Energia de saída Unidades Fonte Unidades Fonte +47 Absorção de radiação de ondas curtas provenientes do sol Radiação de onda longa emitida pela superfície. +98 Absorção de radiação de ondas longas por gases na atmosfera. -5 Remoção de calor por convecção (subida de ar quente). -24 Calor exigido pelos processos de evaporação e sublimação e, portanto, removido da superfície

24 termosfera calor T mesosfera em entre T até mínimo estratosfera em camadas mistura vertical é inibida troposfera transformar ou alterar ~6,5 o C km -1 Perfil vertical de temperatura na atmosfera. (Fonte: Meteorology Today)

25 Abaixo de uma altitude de 10 km (troposfera) a temperatura diminui de 290 K (~17 o C) para 215 K (~-58 o C) 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 (~-58 o C) para 190 K (~-83 o C) 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.

26 Altitude (m) Estrutura vertical da temperatura e da pressão Pressão (mb) termosfera mesopausa mesosfera estratopausa estratosfera tropopausa troposfera Temperatura ( o C) T K = T C + 273,15

27 Estrutura atmosférica: variação do perfil da temperatura em diferentes latitudes

28 Camadas da atmosfera: perfil de temperatura

29 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.

30 Distribuição vertical de massa na atmosfera. (Fonte: Meteorology Today)

31 Variação da pressão do ar na atmosfera. (Fonte: Meteorology Today)

32 Camadas da atmosfera. (Fonte: Meteorology Today)

33 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, N 2, e o oxigênio, O 2.

34 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.

35 Atmosfera terrestre permanente: Composição do ar seco

36 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.

37 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.

38 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.

39 Composição química da atmosfera: ar seco Gases traço CH 3 COOH 700 N 2 O 2 H 2 O Argonio 78% 20% 1% CO 2 Ne He (5) CH 4 (1.8) ppm H 2 N 2 O 310 CO O ppb H 2 O 2 Etano NH HCHO 300 HNO SO NO 100 x outros ppt ppm = 10-6 ppb = 10-9 ppt = 10-12

40 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.

41 Perfil de variação da razão de mistura de alguns gases atmosféricos com a altitude N 2 Ar CH 4 Região da camada de ozônio Gases majoritários e/ou permanentes (homosfera até ~80km)

42 Exemplos de compostos presentes nas diferentes fases atmosféricas Fase gasosa NO óxido de nitrogênio NO 2 dióxido de nitrogênio NH 3 amônia N 2 O 5 pentóxido de dinitrogênio HNO 3 ácido nítrico (vapor) SO 2 dióxido de enxofre MOP (POM) matéria orgânica policíclica HPA (PAH) hidrocarbonetos policíclicos aromáticos Hg 2+ íon mercúrio Hg o mercúrio elementar PCBs bifenilas policlorinadas (pesticidas em geral) D/F dioxinas/furanos

43 Exemplos de compostos presentes nas diferentes fases atmosféricas Fase particulada (poeiras, aerossóis) NH 4 + íon amônio NO 3 - íon nitrato Compostos nitrogenados orgânicos H 2 SO 4 ácido sulfúrico SO 4 2- íon sulfato Hg 2+ íon mercúrio HgCl 2 cloreto de mercúrio HgO óxido de mercúrio Hg o mercúrio elementar Pb chumbo Cd cadmio PCBs bifenilas policlorinadas D/F dioxinas/furanos MOP (POM) matéria orgânica policíclica Fase aquosa NO 3 - íon nitrato NH 4 + íon amônio Compostos nitrogenados orgânicos SO 4 2- sulfato HSO 3 - bisulfeto SO 3 2- sulfeto Atrazina, alaclor, cianazina (herbicidas) e produtos de degradação PCBs bifenilas policlorinadas

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45 Science 13 October 2000: Vol. 290 no pp DOI: /science PATHWAYS OF DISCOVERY The Ascent of Atmospheric Sciences Paul J. Crutzen, Veerabhadran Ramanathan * A Timeline of Atmospheric Sciences 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.