Nuvens e o Aerossol Atmosférico. Leonardo Baptista

Nuvens e o Aerossol

Atmosférico

Estrutura da atmosfera

Massa da atmosfera (ar seco): 5,13 × 1018 _kg

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

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

Aerossol atmosférico

• O termo se aplica a mistura de partículas

sólidas e líquidas na atmosfera

• As nuvens são formadas por gotículas

com dimensão de

µ

m

• Nuvens e aerossol não são entidades

separadas

• As nuvens dependem do aerossol para a

sua formação

Exemplos: Poeira

Coréia

Japão

Exemplos: Poeira

Do continente africano para o oceano Atlântico

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

Vamos discutir o que sabemos

sobre o aerossol atmosférico

Propriedades

• Deposição gravitacional negligenciável

• Efeitos inerciais desprezíveis

• Movimento Browniano significativo devido

à agitação térmica das moléculas do gás

• Elevada área superficial específica

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

Características

• Processos de combustão liberam

partículas com tamanho inferior a 2

µ

m

(moda fina)

• Espécies encontradas na fração fina:

– SO₄2-, NO

Composição do Aerossol Troposférico

• Classificações: – Marinho

– Continental(Rural, Urbano ou Aerossol de Deserto) – Polar

Composição do aerossol estratosférico

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

Características das

partículas atmosféricas

segundo o seu tamanho

Aerossol secundário

• Formado a partir de reações que ocorrem

na atmosfera

• Constituintes

– Aerossol de sulfato – H₂SO₄

– Produtos de oxidação de compostos orgânicos voláteis

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 NO_x e NH₃ emitidos por fontes antropogênicas e

biogênicas

• Aerossol orgânico

– Oxidação de terpenos na atmosfera e outros COVs emitidos na atmosfera

Alguns terpenos encontrados na

atmosfera

Aerossol Secundário

• Os terpenos presentes na atmosfera

podem ser oxidados por O

e pelo radical

OH

• Os produtos de oxidação participam da

formação do aerossol secundário e atuam

como núcleos de condensação de nuvens

Aerossol de sulfato e a regulação

climática

Fluxo de energia na Terra

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

Smog Fotoquímico

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

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

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

Formação do ozônio na atmosfera

urbana

A única reação importante de formação de ozônio na troposfera é:

O (3P) + O

2 → O3

Como o átomo de oxigênio é formado? NO₂ + hν (λ< 430 nm) → O (3P) + NO

Processos que Ocorrem no

Aerossol atmosférico

Reações do íon cloreto em

partículas de sal marinho

Exemplo de reação química sobre a superfície de uma gotícula de água: Aerossol de sulfato aquoso super frio

Aglomerado de H₂SO₄/H₂O sobre a

Reações ácido-base de partículas

presentes no aeressol

• Praticamente todo H

SO

formado na

atmosfera se converte a partículas

– Ocorrência de deposição seca ou úmida

• Na troposfera a acidez é neutralizada

devido a presença de NH

e NH

• A presença de espécies básicas ou

ácidas em solução pode alterar o

ambiente químico das nuvens e catalisar

diversas reações químicas

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

Solubilidade de gases em gotas

• Importante para oxidação de algumas

espécies, conversão gás-partícula e ciclos

químicos de várias espécies

• 70% da oxidação de SO

para SO

ocorre

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 vapor-líquido

• 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

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

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

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

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

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

Tipos de nuvens: Altocumulus

castellanus

Tipos de nuvens: Altocumulus

lenticularis

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

Nuvens estratosféricas polares

• Importância

– Conversão de HCl e ClONO₂ em compostos ativos de cloro como Cl₂ devido a reações em fase heterogênea.

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

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, 7760–7779

• http://www.free-online-private-pilot-ground-school.com/Aviation-Weather-Principles.html