Química Atmosférica

O Homem induziu a poluição Atmosférica

Poluição é a mudança da atmosfera terrestre de forma que deixe entrar mais radiação solar prejudicial. O aumento da temperatura, conhecido como efeito estufa, afecta a provisão mundial de alimento, altera o nível do mar, torna a temperatura mais extrema, e aumenta a difusão de doenças tropicais.

Como professor de química, espera-se que você contribua para a solução do aquecimento global causado pela poluição atmosférica. Você deverá ser capaz de descrever a composição atmosférica, o principal contribuinte para a poluição atmosférica e a forma como estes poluentes são acumulados na atmosfera. Nesta unidade, discutiremos a química da atmosfera e os principais poluentes da atmosfera; descrever o modo como estes poluentes são formados e acumulados na atmosfera; e as ameaças colocadas pelos poluentes.

2.1.1 Introdução

Química atmosférica: é a parte da ciência atmosférica na qual a química da atmosfera da Terra e de outros planetas são estudados.

A composição e a química da atmosfera são importantes por várias razões, mas principalmente por causa das interacções entre a atmosfera e os organismos vivos. A composição da atmosfera terrestre foi mudada pelas actividades humanas e algumas destas mudanças são prejudiciais à saúde do homem, às colheitas e ao ecossistema. Exemplos de problemas que foram identificados através da química atmosférica incluem a chuva ácida, smog fotoquímico e efeito estufa. A química atmosférica procura entender as causas destes problemas, através da obtenção de um entendimento teórico destes, permitindo testar possíveis soluções e os efeitos das mudanças das políticas governamentais de avaliação.

2.1.2 Atmosfera Terrestre

A atmosfera da terra é uma camada de gases que cercam o planeta Terra e retida pela gravidade da Terra. Contém aproximadamente 78% de nitrogénio, 21% de oxigénio, 0.93% de árgon, 0.04% de gases carbónicos, e o resto são quantidades de outros gases além de vapor de água.

Esta mistura de gases é geralmente conhecida como ar. A atmosfera protege a vida na Terra absorvendo radiação UV solar e reduzindo temperaturas extremas entre o dia e a noite.

Os gases ozono, vapor de água, e gás carbónico são componentes secundários da atmosfera, mas eles têm um efeito enorme na Terra absorvendo radiação. O ozono nas camadas superiores da atmosfera filtra a luz ultravioleta de aproximadamente 360 nm que são perigosos para os organismos vivos. Na troposfera o ozono é um poluente indesejável. Ele é tóxico para os animais e plantas e também danifica materiais.

A atmosfera fica lentamente mais fina e diminui em espaço. Neste sentido, não há nenhum limite definido entre a atmosfera e espaço exterior. Setenta e cinco por cento da massa da atmosfera ocupa 11 km da superfície planetária.

2.1.3 Temperatura e as camadas Atmosféricas

Embora a pressão atmosférica diminua de um modo regular a altitudes mais altas, o gráfico da temperatura em função da altitude é muito complexo. A temperatura da atmosfera terrestre varia com a altitude e a relação matemática entre a temperatura e a altitude varia entre as várias camadas atmosféricas:

Quatro regiões da atmosfera: a troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera, foram definidas na base da curva de temperatura ilustrada na figura 2.1.

A Troposfera é a região mais próxima da superfície da terra. Esta é a região entre a superfície da terra e 7 km de altitude aos pólos e 17 km ao equador com alguma variação devido a factores de temperatura. A temperatura do ar baixa uniformemente com a altitude a uma velocidade de aproximadamente 6.5° Centígrado por 1000 metros. O topo é alcançado a uma média de temperatura de -56.5°C.

Na estratosfera, a temperatura permanece constante com altura nos primeiros 9 quilómetros (chamada camada isoterma) e depois aumenta.

Sobre a estratosfera, na região de aproximadamente 50 a 80 km, a temperatura novamente diminui na mesosfera. A atmosfera alcança suas temperaturas mais baixas (cerca de -90°C) na camada mais alta da mesosfera (uma altura de cerca de 80km).

A atmosfera superior é caracterizada pela presença de níveis significantes de electrões e iões positivos. Por causa das condições rarefeitas, estes iões podem existir na atmosfera superior por períodos longos antes da recombinação para formar espécies neutras. À altitudes de aproximadamente 50 km e mais, os iões são tão prevalecentes que a região é chamada ionosfera. A luz ultravioleta é a produtora primária de iões na ionosfera. Na escuridão, os iões positivos lentamente recombinam-se com os electrões livres. O processo é mais rápido em regiões baixas da ionosfera onde a concentração de espécies é relativamente alta.

A temperatura atmosférica novamente aumenta na termosfera. A temperatura nesta camada pode ser tão alta até 1200°C.

Os limites entre estas regiões são designados tropopausa, estratopause, mesopausa e termopausa. A temperatura comum da atmosfera na superfície da Terra é de 14 °C. Os aviões de passageiros voam regularmente próximo do topo da troposfera a altitudes de 10 a 12 km, e o registo de altitude mundial para aeronave é de 37.65 km - asperamente no meio da estratosfera.

2.1.4 Características das Principais Regiões da atmosfera

2.1.4.1 A Troposfera

Esta é a região próxima da superfície da Terra. Exclui vapor de água, os maiores componentes gasosos da atmosfera nesta região são N2 (78.1%), O2 (21%), Ar (0.9%), CO2

(0.03%) e quantidades variáveis de CH4, NO2, CO, N2O, H2, SO2, Kr, Ne e O3.

Aproximadamente 80% da massa total da atmosfera nesta camada é contida na atmosfera. Na troposfera, a temperatura do ar decresce uniformemente com altitude a uma velocidade de aproximadamente 6.5° Centígrado por 1000 metros. O topo é alcançado a uma temperatura comum de -56.5°C.

2.1.4.2 A Estratosfera

A estratosfera contém aproximadamente 19.9% da massa total da atmosfera. A camada fina da estratosfera superior (conhecida como a camada de ozono) tem uma elevada concentração de ozono.

O ozono absorve a luz ultravioleta muito fortemente na região de 220-330 nm. Assim, o ozono converte a energia da radiação para aquecer e é responsável pela temperatura máxima encontrada no limite entre a estratosfera e a mesosfera a uma altitude de aproximadamente 50 km.

A região de máxima concentração de ozono é encontrada a uma distância de 25-30 km acima da estratosfera onde pode alcançar 10 ppm. Porém, a temperatura máxima acontece a uma altitude mais alta. Isto acontece devido ao facto de que o ozono é um absorvente efectivo da radiação UV e a maioria desta radiação é absorvida na estratosfera superior onde gera calor. Só uma pequena fracção alcança as mais baixas altitudes, onde o ozono está mais concentrado e que permanece relativamente fria.

Esta camada é a principal responsável pela absorção da radiação ultravioleta do sol. As temperaturas mais altas são encontradas em regiões superiores da estratosfera, isso acontece por causa da localizada concentração de moléculas do gás ozono. As moléculas de ozono absorvem os raios UV criando energia em forma de calor que aquece a estratosfera.

2.1.4.3 A Mesosfera

Mesosfera: A camada a seguir a estratosfera é conhecida como o Mesosfera e esta camada tem uma extensão de aproximadamente 50 a 80 km. Ela está separada do termosfera por uma camada fina conhecida como o mesopause.

A temperatura vai diminuindo da mesosfera a atmosfera alcançando temperaturas mais frias (aproximadamente -90°C) no fim da mesosfera (a uma altura de cerca de 80km).

2.1.4.4 A Termosfera

Esta é parte da atmosfera que está a 80 km de altitude. No espaço exterior da termosfera, a maioria das partículas consistem em átomos únicos, H, Ele, e O etc. A altitudes baixas (200 - 100 km), estão presentes moléculas de diatómicas N2, O2, NO, etc. As temperaturas altas

nesta camada são geradas pela absorção da intensa radiação solar através de moléculas de oxigénio (O2).

Nesta região da atmosfera, a temperatura parece extrema, a quantidade de energia calorífica envolvida é muito pequena. As moléculas que podem armazenar calor são pequenas em quantidade. (Nota: esse calor armazenado é directamente proporcional a quantidade de substância).

O ar na termosfera é extremamente franzino com grandes distâncias entre as moléculas gasosas. Isto torna o processo de medição da temperatura da termosfera muito difícil com um termómetro.

2.1.5 Reacções químicas na Atmosfera

Dois componentes de extrema importância na química atmosférica são a energia radiante do sol, predominantemente na região ultravioleta do espectro e o radical hidróxilo, HO•. O primeiro proporciona um modo para bombear um nível elevado de energia numa única molécula de gás para começar uma série de reacções químicas atmosféricas e o segundo é o mais importante reagente intermediário dos fenómenos químicos atmosféricos diários. Dióxido de nitrogénio, NO2, é uma das espécies fotoquímicas mais activas presentes numa

atmosfera poluída. Uma espécie como NO2 pode absorver a luz para produzir uma

molécula electricamente excitada.

Uma molécula electricamente excitada é uma molécula que absorveu energia de radiação electromagnética na região do UV-visível do espectro.

Moléculas electricamente excitadas, radicais livres e iões que consistem em átomos electricamente carregados ou fragmentos moleculares são as três espécies reactivas relativamente instáveis que são encontradas na atmosfera. Eles são fortemente envolvidos em processos químicos atmosféricos.