Qu mica da estratosfera
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Química da Estratosfera. Daniela Bertolini Depizzol Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental Universidade Federal do Espírito Santo Disciplina: Monitoramento da Qualidade do Ar Prof. Dr.: Neyval Costa Reis Junior 10 de maio de 2005. Tópicos. Breve Histórico Questões Básicas

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Química da Estratosfera

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Presentation Transcript


Qu mica da estratosfera

Química da Estratosfera

Daniela Bertolini Depizzol

Programa de Mestrado em Engenharia Ambiental

Universidade Federal do Espírito Santo

Disciplina: Monitoramento da Qualidade do Ar

Prof. Dr.: Neyval Costa Reis Junior

10 de maio de 2005


T picos

Tópicos

  • Breve Histórico

  • Questões Básicas

  • O mecanismo de Chapman

    • Ciclos do HOx

    • Ciclos de NOx

    • Ciclos do ClOx

  • Reservatório de Espécies

  • Buraco na Camada de Ozônio

  • Nuvens polares Estratosféricas

  • Estratosfera Heterogênea (Não Polar)

  • Aeronaves supersônicas X ozônio

  • Previsões para o futuro do Ozônio


Qu mica da estratosfera

  • A Estratosfera é meteorologicamente tranqüila, clara e ensolarada e possui cerca de 90% do Ozônio atmosférico;

  • Possui movimentos de ar em sentido horizontal;

  • Fica situada entre 7 e 17 até 50 km de altitude;

  • Pequena concentração de vapor d'água;

  • Na sua parte inferior, flui uma corrente de ar em jato, conhecida como jet stream, que exerce influência na meteorologia das zonas temperadas;

  • É na Estratosfera que encontra-se a ozonosfera, onde ozônio absorve a radiação ultravioleta do Sol devido a reações fotoquímicas, filtrando-as.


Breve hist rico

Breve Histórico

  • O ozônio é o mais importante constituinte da Estratosfera pois as reações químicas associadas a seu ciclo absorvem radiação UV, reduzindo os níveis de radiação na troposfera;

  • Na troposfera o ozônio é altamente nocivo e com grande poder de oxidação;

  • Dobson (cientista britânico) desenvolveu um “spectrofotômetro” para medir a camada de ozônio, o qual é utilizado ainda atualmente. Em reconhecimento a sua contribuição a unidade de medida da camada de ozônio é a unidade Dobson (DU);

  • Sidney Chapman (cientista britânico) propôs, em 1930, que o ozônio é continuamente produzido através da fotólise de O2 na alta estratosfera (ciclo de Chapman);


Breve hist rico1

Breve Histórico

  • Posteriormente, foi constatado que o ciclo de Chapman não é capaz de descrever certas observações na estratosfera;

  • Então, reações químicas adicionais que consomem ozônio, foram propostas:

    • Paul Crutzen, em 1970, elucidou o papel dos óxidos de nitrogênio, observando a perda de ozônio como um efeito catalítico do NOx emitido de uma frota de foguetes supersônicos;

    • Depois, Mario Molina e F. S. Rowland, estudaram o efeito do Cl, através dos CFC’s, sobre o ozônio estratosférico (Prêmio Nobel de Química, 1995);

    • Em 1985, um grupo de pesquisadores liderados pelo ciêntista Farman descobriu um buraco na camada de ozônio da Antártica;

    • Consideráveis diminuições anuais de ozônio durante a primavera Antártica têm sido bem documentadas desde 1985 (Jones e Shanklin, 1995);


Quest es b sicas

Questões básicas

  • Qual é o mecanismo de produção e de perda do Ozônio na Estratosfera?

  • Qual é o efeito, na Estratosfera, da emissão de poluentes pelo homem?

  • Qual é o mecanismo responsável pelo aumento do buraco da camada de ozônio na Antártica?

  • Qual o efeito das aeronaves supersônicas no ozônio estratosférico?


O mecanismo de chapman

O mecanismo de Chapman

  • A formação do Ozônio ocorre na Estratosfera a uma altitude média de 30 km onde os radiação solar ultravioleta tem tamanho de onda menor que 242 nm

    O2 + h O + O (1)

  • O átomo de O reage rapidamente com O2 na presença de uma terceira molécula M (O2 ou N2), para formar o Ozônio

    O + O2 + M  O3 + M (2)

  • Na presença de radiação na faixa de 240 a 320 nm temos

    O3 + h O2 + O (3)

  • E também podemos ter a seguinte reação

    O3 + O  O2 + O2 (4)


O mecanismo de chapman1

O mecanismo de Chapman

Taxas das reações

  • R1 = jO2[O2]

  • R2 =k2[O][O2][M]

  • R3 = jO3[O3]

  • R4 =k4 [O3][O]

Razão da formação de O3

Razão da formação de O


Qu mica da estratosfera

O mecanismo de Chapman

  • Tempo característico numa reação é dado pela concentração da substância, dividido pela taxa da reação.

  • Logo, na reação (2) temos

  • No topo da Estratosfera, onde a pressão e [M] são menores, τ ~ 100 s. E na Baixa Estratosfera, onde [M] e pressão são maiores, o τ é menor.

  • Aumento da altitude -> aumento da radiação -> mais O2 + h O + O -> aumento do O atômico -> mais O + O2 + M  O3 + M ->

Mais ozônio


Qu mica da estratosfera

O mecanismo de Chapman

Altos níveis de hv, geram grandes de taxas de reação para:

O2 + hv => O + O(1)

O3 + hv => O2 + O(3)

Porém, baixas taxas para O + O2 => O3(2) devido à baixa densidade

Aumento de densidade combinado com a abundância de Oxigênio atômico (reação 1) aumenta a taxa da reação 2. A densidade maior também aumenta a absorção de radiação reduzindo a reação 3.

A densidade maior aumenta a absorção de radiação, reduzindo ainda mais as reações 1 e 3, diminuindo a abundância de Oxigênio atômico e , conseqüentemente, reduzindo significativamente a reação 2.


Qu mica da estratosfera

O mecanismo de Chapman

  • Qual é a concentração de O3 que resulta da reação (1) e (4)?

  • A razão de produção de O3 é dada pela razão da produção de O em (1) e a razão da remoção de O3 em (4).

Como a maioria do [Ox] é formado por O3 (99%), o mecanismo de Chapam diz que a concentração do Ozônio Estratosférico é proporcional a raiz quadrada da fotólise do O2.

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Qu mica da estratosfera

O mecanismo de Chapman

  • Nas regiões superiores da atmosfera, o oxigênio atômico prevalece e os níveis de radiação UV são elevados.

  • Nas camadas mais baixas da estratosfera, o ar é mais denso, a absorção de UV é maior e os níveis de ozônio são mais elevados;

  • Pela noite as reações (1) e (3) cessam , mas as reações (2) e (4) persistem .

  • Assim a concentração do átomo de O é maior pelo dia do que pela noite.

  • E a concentração de [O3] é maior pela noite do que pelo dia.


Qu mica da estratosfera

O mecanismo de Chapman

  • Até 1964, o mecanismo de Chapman era a principal explicação da formação e destruição de Ozônio da Estratosfera

  • Mas, foi observado que a destruição de ozônio pela reação (4) era muito lenta e não condizia com a realidade

  • No começo da década de 50 foi proposto por Bates e Nicolet, que haveria uma substância em grande quantidade na Estratosfera que atuaria como um catalisador na destruição de Ozônio

  • Mas só no início da década de 70, que um trabalho pioneiro de Crutzen e Johnston revelou o papel dos Óxidos de Nitrogênio na Estratosfera.


Qu mica da estratosfera

O mecanismo de Chapman

  • Os subseqüentes trabalhos de Stolarski e Cicerone (1974), Molina e Rowland (1974), e Rowland e Molina (1975) elucidou o efeito do compostos que contém cloro na Estratosfera.

  • A destruição de Ozônio no ciclo de Chapman é dado por

    X + O3  XO + O2

    XO + O  X + O2

    O3 + O  O2 + O2

    onde X pode ser H, OH, NO, Cl ou Br.


Ciclos do ho x

Ciclos do HOx

  • O primeiro ciclo catalítico é o que envolve o Hidrogênio contendo radicais: H, OH e HO2, denotados por HOx.

    H + O3 OH + O2OH + O3 HO2 + O2

    OH + O  H + O2HO2 + O  OH + O2

    O3 + O  O2 + O2O3 + O  O2 + O2

    OH + O  H + O2OH + O3 HO2 + O2

    H + O2+ M  HO2 + MHO2 + O3  OH + O2 + O2

    HO2 + O  OH + O2O3 + O3 O2 + O2 + O2

    O + O + M  O2 + M

  • A fonte atmosférica de OH é, de longe, o vapor de água.


Ciclos de no x

Ciclos de NOx

  • O seguinte ciclo converte Oxigênios impares em Oxigênios pares

    NO + O3 NO2 + O2

    NO2 + O  NO + O2

    O3 + O  O2 + O2

    NO + O3 NO2 + O2

    NO2 + O3  NO3 + O2

    NO3 + hν  NO + O2

    2O3  3O2

  • A fonte natural de NOx na Estratosfera é o N2O.


Ciclos do clo x

Ciclos do ClOx

  • Em 1974, Molina e Rowland descobriram que os Clorofluorcarbonos (CFC’s) persistem na atmosfera até atingirem a estratosfera, onde são fotolizados pelos raios UV de tamanho entre 185 e 210 nm

    CFCl3 + hν  CFCl2 + Cl

    CF2Cl2 + hν  CF2Cl + Cl

  • O cloro é altamente reativo com o Ozônio, e estabelece um ciclo rápido de destruição do O3.


Qu mica da estratosfera

Ciclos do ClOx

Cl + O3  ClO + O2

ClO + O  Cl + O2

O3 + O  O2 + O2


Qu mica da estratosfera

Ciclos do ClOx


Ciclos do clo x1

Ciclos do ClOx


Ciclos do clo x2

Ciclos do ClOx


Reservat rio de esp cies

Reservatório de Espécies

  • Os ciclo do HOx, do NOx e do ClOx que tem o papel de destruir O3 podem ser interrompidos quando OH, NO2, Cl e ClO estão participando de outras reações.

  • Exemplos de reações que interrompem os ciclos

    OH + NO2 + M → HNO3 + M

    Cl + CH4 → HCl + CH3

    ClO + NO2 + M → ClONO2 + M

  • O ciclo do ClOx pode destruir 100000 moléculas de O3 antes de ser removido.


Buraco na camada de oz nio

Buraco na Camada de Ozônio

  • Em 1985, um time de cientistas liderados pelo britânico J. Farman chocou a comunidade científica com a descoberta de um maciço decrescimento anual do ozônio estratosférico sobre a antártica na primavera polar.


Qu mica da estratosfera

Buraco na Camada de Ozônio

  • Porque a Antártica?

  • O O3 presente na antártica é proveniente dos trópicos. A antártica é deficiente em O2. Os ares frios do inverno antártico criam uma circulação ocidental de ar, que gera um núcleo de ar gelado, chamado de vortéx, que sustenta o ozônio na antártica por muitos meses. Com o retorno do sol em setembro, na primavera, a temperatura sobe fazendo com que a radiação solar ultravioleta quebre as moléculas de ozônio;

  • Quando a primavera da Antártica vai chegando ao fim existe a tendência de retorno da concentração normal de ozônio;

  • Assim toda primavera na Antártica, podemos ter em sua Estratosfera, um maior ou menor buraco na camada de ozônio.


Nuvens polares estratosf ricas

Nuvens polares Estratosféricas

  • A Estratosfera é muito seca e geralmente sem nuvens;

  • A longa noite polar produz temperaturas de até -90°C nas alturas de 15 a 20 Km, frio suficiente para condensar vapor de água na forma de nuvens polares estratosféricas;

  • As baixas temperaturas da Estratosfera prevalecem mais na Antártica, onde o vortéx é mais estável do que no Ártico.


Qu mica da estratosfera

Buraco na Camada de Ozônio Antártico


Qu mica da estratosfera

Estratosfera Heterogênea (Não Polar)

A perda de ozônio não está apenas concentrada na Antártica. Há perda de ozônio em algumas áreas densamente habitadas no hemisfério norte (latitudes de 30-40N).

Entretanto, diferentemente da rápida queda na região Antártica (onde o ozônio a certas altitudes já foi quase que totalmente perdido), a perda de ozônio em latitudes intermediárias é bem mais lenta - apenas poucos % ao ano.


Qu mica da estratosfera

Aeronaves supersônicas X ozônio

  • No começo da década de 70, os EUA consideraram a possibilidade de desenvolver um transporte por aeronaves supersônicas na estratosfera, ao mesmo tempo que o trabalho pioneiro de Crutzen (1970) e Johnson (1971) revelaram o ciclo do NOx, que destrói a camada de ozônio.

  • Logo a idéia das aeronaves foi deixada de lado.


Previs es para o futuro do oz nio

Previsões para o futuro do Ozônio


Sum rio

Sumário

  • A maioria do Ozônio perdido na primavera da Antártica provém da emissão de halogênios antropogênicos;

  • O inverno polar leva a formação do vórtice polar, que evita a entrada de ar de outras regiões, mantendo sua temperatura bastante baixa na estratosfera;

  • As temperaturas frias dentro do vórtice causam a formação das nuvens polares;

  • Na superfície dos cristais de gelo no interior das nuvens, reações químicas transformam espécies inertes ricas em cloro e bromo em formas mais ativas de cloro e bromo;

  • Nenhuma perda de ozônio ocorre até que a luz solar retorne (após o inverno), quando há a produção de átomos livres de cloro e bromo, que destroem ozônio estratosférico.


Refer ncias

Referências

  • SEINFELD J. H. e PANDIS S. N. (1998), Atmospheric Chemistry and Physics – From Air Pollution to Climate Change, Wiley Interscience, USA.

  • http://www.meteonet.com.ar/prensa/gace02/gace1102-4.htm

  • http://www.meteor.iastate.edu

  • http://pt.wikipedia.org/

  • http://www.unep.org/ozone/spanish/Public_Information


Qu mica da estratosfera

Fim!


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