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Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos A ATMOSFERA TERRESTRE 1 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos A Atmosfera Primitiva 2 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos CH4 CO2 NH3 H2 Vapor d’água Composição da Atmosfera Primitiva Consistia sobretudo de: Formaram-se também: HCN, H2S, entre outras substâncias Acredita-se que: [CO2]primitiva ≈ 600 [CO2]atual Grande parte do CO2 dissolveu-se nos oceanos ou foi converti- do a carbonatos formando os sedimentos: CO2 + H2O CO3 = + 2H+ 3 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Compostos orgânicos essenciais à 1ª fase da síntese dos seres vivos: • Formaram-se na atmosfera por ação da radiação UV • Foram carreados e acumulados nos oceanos como um caldo nutritivo, surgindo os organismos inferiores • Posteriormente, essas espécies reagiram produzindo amino- ácidos e peptídeos • As primeiras células usaram moléculas inorgânicas como material de partida nas sínteses num ambiente isento de oxigênio livre 4 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos • Liberação de Oxigênio Livre para a Atmosfera: ocorreu sobretu- do através da fotossíntese: CO2 + H2O {CH2O} + O2 • O oxigênio livre liberado na fotossíntese foi usado em reações com materiais terrestres. • Evolução dos organismos inferiores: através de processos químicos e mutações genéticas evoluíram da forma de simples bactérias à formas superiores de vida. 5 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos • Crescimento da vida aquática: liberação acentuada de O2 livre para a atmosfera A atmosfera passou a ser oxidante Consequentemente: A concentração de CO2 decresceu 6 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Evolução da Atmosfera 7 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Sintetizado a partir da dissociação de O2 livre: Formação da Camada de Ozônio 8 h O2 O + O O2 + O O3 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Com o acúmulo de ozônio na atmosfera formou-se a camada do gás que absorve radiações solares energéticas As condições atmosféricas oxidantes e a formação da camada permitiram o desenvolvimento de diversas formas de vida na Terra: único planeta do sistema solar que possui atmosfera oxidante 9 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Camada gasosa que envolve a Terra • Espessura: cerca de 1.000 km • Densidade: menos densa a maiores altitudes maiores massas de ar encontram-se próximas à superfície terrestre • Função Ecológica: absorve grande parte das radiações solares mais energéticas, mas permite a passagem de radiações menos energéticas com 300 nm < < 2500 nm, aquecendo a Terra e as camadas atmosféricas mais baixas. A Atmosfera Atual 10 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Além disso: reabsorve a maioria das radiações UV emitidas para o espaço IMAGEM DA ATMOSFERA 11 estabiliza a temperatura terrestre Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Composição da Atmosfera • Constituição: gases, vapor d’água e material particulado 12 [CO2 ]165 > Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos • Gases atmosféricos mais importantes para os organismos vivos: O2 e CO2 • Umidade: componente atmosférico com concentração mais variável Desertos: teores negligenciáveis Pântanos: até cerca de 5% • Concentração de Material Particulado: mais variável que a concentração gasosa “Ar Puro”: em diferentes regiões a composição gasosa é prati- camente a mesma, mas o teor de material particulado pode variar acentuadamente de um local para outro. 13 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos (neblina) (fuligem) Pós transportados pelo ar 14 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Composição, Temperatura e Densidade Atmosférica Não são uniformes Variação da densidade: deve-se às alterações da temperatura e da compressibilidade da massa gasosa: massas inferiores são comprimidas pelas camadas superiores. A composição atmosférica tem variado ao longo do tempo devido à processos naturais. Entretanto, desde o Século XX, preocupantes alterações têm ocorrido devido às atividades antrópicas 15 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Camadas Atmosféricas 16 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos As cinco camadas atmosféricas apresentam características e funções diferentes 1) Exosfera: a mais elevada (~ 600 km). Contém, sobretudo H2. 17 A temperatura varia entre – 270 ºC (noite) e 2000 ºC (dia) Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 2) Ionosfera ou Termosfera: situada entre 80 a 600 km e T > 1000 ºC. O ar é rarefeito e as radiações cósmicas bombardeiam os átomos do ar ionizando-os (os gases presentes absorvem Raios X e UV de menor comprimento de onda ( ~ < 200 nm). 18 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 3) Mesosfera: entre 30 (ou 45) a 80 km. É a região de menores T (T ≈ – 138 ºC). Por que? O decréscimo de T deve-se à presença de poucas espécies absorventes 19 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 4) Estratosfera: 12 a 30 (ou 45) km de altitude e T cerca de – 60 ºC (– 45 a – 75 ºC) e pressão muito baixa. A atmosfera torna-se estável ventos não são turbulentos O ar é rarefeito: nessas condições os seres vivos não sobreviveriam. É a região onde os jatos voam. Contém ~ 90% do O3 atmosférico Camada de Ozônio que filtra as radiações solares UV mais energéticas. 20 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 5) Troposfera: altura média de 11 km • No Equador: 15 km • Nos Pólos: 8 km Contém ≈ 80% dos gases atmosfé- ricos 21 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos A troposfera é dinamicamente instável (apresenta variações verticais bruscas de massa e de energia), pois é a região onde ocorrem os fenômenos meteorológicos: Correntes aéreas verticais e a constante agitação provocam ventos, chuvas, tempestades, nevascas e variações de temperatura T e pressão P. O teor de água é variável devido à formação de nuvens, precipitações, evaporações. 22Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Nas Regiões mais Baixas da Troposfera: a composição das espécies presentes em menor concentração não é constante devido à influência de diversas fontes e processos de remoção que operam vertical e horizontalmente. Atuação da Troposfera: regula a temperatura terrestre Evita Valores Extremos de Temperatura Nas nuvens as partículas de vapor d’água absorvem calor T nem aumenta e nem diminui bruscamente, mas decresce com a altitude, podendo atingir um mínimo de − 56 ºC 23 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Tropopausa (topo da troposfera): T é muito baixa vapor d’água condensa Concentração Gasosa até cerca de 80 km: Relativamente constante, pois a energia cinética das moléculas é suficientemente alta Supera a força gravitacional Acima de 80 km: as concentrações mudam significativamente devido a processos fotoquímicos 24 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos VARIAÇÃO DA TEMPERATURA (T) COM A ALTITUDE Até cerca de 12 km: T decresce. Acima de 12 km: T aumenta ligeiramente atingindo 0oC em torno de 50 km. mínimo 25 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 26 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Quando a radiação solar atinge a superfície terrestre, as radiações visíveis são absorvidas A Terra aquecida emite radiações de maiores comprimentos de onda na região IV As radiações IV são absorvidas por CO2 e vapor d’água, aquecendo a atmosfera adja- cente à superfície. 27 Expansão d Contração d d = m/V Se T V Se T V Em média, a temperatura na superfície terrestre é cerca de 15oC. Acima da troposfera a temperatura aumenta nova- mente e a atmosfera torna-se mais estável verticalmente. Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 28 Expansão d Contração d d = m/V Se T V Se T V Circulação de Massas de Ar Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Origem dos Ventos A troposfera é instável, pois o ar tende a circular e misturar-se. d = m/V quando está quente, o ar sobe e esfria. Por sua vez, o ar frio move-se para baixo (no lugar do ar aquecido). Esse movimento origina os ventos Turbulência O gradiente de temperatura nas regiões mais baixas tem grande influência sobre o movimento vertical do ar 29 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 1. Troposfera: contém cerca de 85 a 90 % da massa atmosférica e caracteriza- se por decréscimo de temperatura com a altitude. É dinamicamente instável 30 Apresenta variações verticais bruscas de massa e energia Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos O aumento de temperatura deve-se à absorção de radiação UV por O2 para produzir O3: O2 hv O + O 2. Estratosfera (camada contendo 90% do O3 atmosférico): acima da troposfera, a atmosfera torna- se estável e o gradiente vertical de temperatura inverte-se 31 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 3. Mesosfera: o perfil de temperatura inverte-se novamente, decrescendo com a altitude. Essa camada é dinamicamente instável caracterizando-se por rápida mistura vertical. Em altitudes em torno de 80 km a temperatura cai a cerca de - 80oC. 4. Termosfera: na região situada acima de 85 a 90 km, a temperatura aumenta progressivamente, atingindo valores que dependem da atividade solar. 32 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos MASSA MOLAR MÉDIA DA ATMOSFERA (Ma) Ma = (MN2 x fN2) + (MO2 x fO2) + (MAr x fAr) + (MCO2 x fCO2) Determinação de Ma: considera-se a constância e a abundância de cada componente gasoso (principais) 33 Ma = (28,01 x 0,7808) + (32,00 x 0,2095) + (39,95 x 0,0093) + (44,01 x 0,00033) Ma = 28,96 g mol -1 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Nas Regiões mais baixas da Troposfera: Acima de 80 km: as concentrações das espécies mudam significativamente em virtude de processos fotoquímicos. A composição das espécies presentes em menor concentração não é cons- tante devido à influência de diversas fontes e processos de remoção que operam vertical e horizontalmente. 34 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos VARIAÇÃO DA PRESSÃO COM A ALTITUDE A cada 5 km de altitude: A pressão decresce exponencialmente cerca da metade. 35 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Ph = Po e - (Mgh/RT) A pressão atmosférica decresce com a altitude. Por que? Mais de 99% da massa atmosférica total encontra-se a cerca de 30 km da superfície terrestre. Decréscimo da pressão atmosférica com a altitude: a relação é aproximadamente exponencial: 36 Po = pressão ao nível do mar h = altitude M = massa molar média do ar g = 9,80665 m s-2 R = 287 J K-1 kg-1 T = temperatura (K) Massa da atmosfera (seca) = 5,13 x 1018 kg (estimativa da média anual) Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos É função da massa atmosférica, da aceleração da gravidade, da área e raio terrestres: Pressão Atmosférica ao Nível do Mar (Po) Po = M g . 4 r2 Pascal = 9,869×10-6 atm M = massa atmosférica (kg) r = 6,38 x 106 m (raio da Terra) Considerando Po = 101.325 Pa (1 atm) Massa da atmosfera = 5,27 x 1018 kg 37 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos MERIDIANOS, PARALELOS, LATITUDE E LONGITUDE Meridianos: linhas verticais que ligam um pólo a outro da Terra. Principal Meridiano: Meridiano de Greenwich. Divide a Terra em 2 hemisférios: Leste e Oeste ou Ocidental e Oriental. O plano meridiano é o plano que contém a linha Norte-Sul. 38 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Paralelos: são linhas horizontais. Principal Paralelo: Linha do Equador. Divide a Terra em 2 hemisférios: Norte e Sul. Os paralelos e meridianos dão as latitudes e longitudes, que são a distância em graus dessas linhas imaginárias. 39 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Latitude: é a distância em graus da linha do Equador até uma superfície qualquer da Terra dada pelos paralelos. As latitudes variam de 0º a 90º para Norte e para Sul. Longitude: é a distancia em graus do Meridiano de Greenwich até uma superfície qualquer da Terra, dada pelos meridianos. Variam de 0º a 180º para Leste e para Oeste. 40 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos O eixo de rotação da Terra está inclinado cerca de 23º 27’ em relação à perpendicular do plano da órbita.A conjugação dessa inclinação com o movimento de translação é responsável pelas diferentes estações do ano. 41 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Circumpolar: astro que nunca nasce nem se põe permanece sempre acima do horizonte durante um dia sideral. É um astro que está em volta ou perto do pólo e que não atinge o ocaso, ou seja, permanece acima do horizonte durante todo o dia sideral. The northern circumpolar stars revolving around the north celestial pole. Note that Polaris, the bright star near the center, is almost stationary. The star Polaris is a circumpolar star and can be seen at all times of the year. ao longo dos círculos de latitude 42 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Se os movimentos verticais não forem afetados: o ar ascende e esfria adiabaticamente Não troca calor com o ambiente Permanece em equilíbrio com o ar que o rodeia No entanto, devido a aquecimentos superficiais e condições meteorológicas locais: Raramente a atmosfera tem perfil adiabático de temperatura Perfil Adiabático da Atmosfera 43 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Desigual distribuição do calor de radiação: produz circulação meridional do ar (Norte a Sul): Movimento ascendente a menores latitudes Movimento descendente a elevadas latitudes Essa circulação de massas de ar meridional é bastante mo- dificada pela rotação da Terra, sobretudo fora dos trópicos, onde a circulação média é aproximadamente circumpolar, ou seja, ao longo dos círculos de latitude Circulação Meridional de Ar (de Norte ao Sul) 44 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos O vapor d’água esfria nas camadas mais altas e frias. 45 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos O fluxo de ar que circula na direção oeste-leste é influenciado por: Transferência de Calor e Massa • Comportamento orográfico (relativo às montanhas) na superfície da Terra • Liberação de calor • Formação de nuvens • Condições de tempo na troposfera 46 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Efeito Coriolis: circulação espiralada ciclônica ou antici- clônica, dependendo da direção de rotação da Terra. Pro- duz a deflexão de um corpo em movimento: para direita no Hemisfério Norte e esquerda no Hemisfério Sul 47 Ventos alísios (vindos do Nordeste no hemisfério Norte e do Sudeste no hemisfério Sul) Área equatorial de baixa pressão, alta pluviosidade e nebulosidade Aquecimento Máximo: o Sol encontra-se na metade da linha do Equador Doldrums = calmaria Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Regiões Equatoriais: o elevado calor causa ascensão do ar quente nas su- perfícies oceânicas. O ar se expande, esfria, perde água, desce novamente e move-se para o Norte e Sul, criando correntes de vento que sopram para o Equador e sofrem deflexão quando a Terra gira de O para L (Efeito Coriolis), fluindo de regiões de menores velocidades rotacionais para maiores. 48 O ar não se move em linha reta para o Norte e Sul mas sofre deflexão devido à rotação da Terra Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos As correntes que fluem para o Equador são aquecidas Há decréscimo da umidade relativa Consequentemente: O encontro do ar seco com o ar polar causa turbulência na troposfera e ventos que migram de Leste para Oeste. Em geral: a velocidade dos ventos tende a ser mínima na tropopausa, muda periodicamente nos hemisférios Norte e Sul, e aumenta a maiores altitudes. Se o ar não circulasse, o Equador seria extremamente quente e os Pólos extremamente frios há retirada de umidade dos oceanos 49 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Compare a dissipação da fumaça de uma chaminé e aquela que sai da cauda de um avião a jato. Que fumaça se dissipa mais rapidamente? Por que? 50 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Tempo de mistura das espécies nas regiões atmosféricas: É importante, pois as partículas podem residir longo tempo na estratosfera, antes de atingir à troposfera, onde misturam-se rapidamente. Por que? Distribuição Atmosférica Vertical de Espécies 51 Turbulência Espécies que permanecem muito tempo no ar tendem a misturar-se completamente Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Por ser leve, H2 escapa para o espaço a uma taxa de 25 x10 3 toneladas/ano contribuindo para importantes alterações na composição química da atmosfera ao longo de períodos geológicos Nas camadas atmosféricas superiores: • Trocas Verticais Devido às Misturas Dinâmicas: são insigni- ficantes, pois não há turbulência. • Difusão Molecular: é importante e as espécies separam-se gravitacionalmente conforme as massas atômicas ou moleculares. 52 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Constituintes como vapor d’água, CO2, O3, entre outros, desempenham importante papel, influenciando a transmissão da radiação solar e terrestre e, consequentemente, o clima. Tempo de Residência: N2, O2 e gases nobres (Ar, Ne, He, Kr e Xe) permanecem por longo tempo e, portanto, abaixo de 90 km de altitude esses gases estão comple-tamente misturados. 53 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos CO2: concentração constante O3: gerado na estratosfera, passando a O2 CO: tem perfil inverso ao O3. Por que? Vapor d’água: a massa de ar decresce logarit- micamente com a altura: a massa de vapor d’água por volume diminui mais rapidamente CO2 CO O3 H2O H2O O3 CO2 CO 54 É gerado nas camadas inferiores e é oxidado a CO2 nas superiores Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Material Particulado: o perfil de distribuição apresenta uma concentração máxima na estratosfera. Por que? Devido, em grande parte, às erupções vulcânicas e testes nucleares. Máximo Mínimo 55 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Fator Importante na Geração e Dispersão de Poluentes: Circulação do ar Quando o movimento cessa, o ar fica estagnado e os poluentes concentram-se em regiões localizadas. Em geral: a temperatura do ar nas proximidades da superfície terrestre diminui com a altitude INVERSÃO DE TEMPERATURA (TÉRMICA) 56 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Em certas condições atmosféricas pode ocorrer o oposto: aumento de T com a altitude h, implicando em elevada estabilidade atmosférica Inversão de Temperatura 57 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Os poluentes concentram-se numa única região. 58 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra.Nadja Vasconcelos 59 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos A inversão térmica pode ocorrer de 2 modos: esfriamento na superfície inferior ou aquecimento na superior. Geralmente, o 1º fenômeno ocorre à noite em consequência do esfriamento do solo: o ar mais próximo à superfície terrestre esfria mais que as camadas superiores menos densas (durante a noite, a superfície pode estar mais fria que a água dos oceanos e lagos). O movimento horizontal de uma massa de ar que passa de uma superfície quente (solo) para outra fria (água) também produz inversão térmica 60 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 3 situações em Los Angeles: a) sem poluição aparente; b) e c) smog apresentando respectivamente, camadas de 100m e 300m de inversão de temperatura. a) b) c) 61 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos S. Paulo, 24/06/2005 S. Paulo, 20/05/2009 RJ,19/06/2008 62 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Los Angeles 28/11/2007 PEQUIM, 2008 CAIRO Cidade do México Los Angeles 63 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Episódios: Pensilvânia,1948: devido à inversão térmica os efluentes de uma indústria de H2SO4 e produção de Zn não foram dissipados durante dias, cau- sando doenças em cerca de me- tade da população e morte de 20 pessoas. 64 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos 1952 (Londres): durante 4 dias, elevada poluição do ar por SO2 e H2S, que se estendeu por 2 a 3 semanas, causando a morte de 4000 pessoas (idosos mais afetados). 65 Universidade Estadual do Ceará – Química Ambiental – Profa. Dra. Nadja Vasconcelos Final do Capítulo 66 Você sabia? Desde 1950, o mundo jogou fora cerca de 1 bilhão de toneladas de plástico, e que grande parte desse montante fica e pode continuar intacto durante milhares de anos?
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