Química de l'atmósfera

La química de l'atmósfera ye una caña de la ciencies de l'atmósfera na que s'estudien los procesos químicos que tienen llugar na atmósfera de la Tierra y d'otros planetes. Carauterízase pola enorme dilución de les sustancies presentes nella y pola influencia de les radiaciones presentes sobre diches sustancies.

Química de l'atmósfera
rama de la química (es)
aerología (es) y química

Diagrama de les sustancies químiques y procesos de tresporte rellacionaos cola composición de l'atmósfera.

Ye un campu multidisciplinar d'investigación y ta coneutada cola química ambiental, la física, la meteoroloxía, los modelos informáticos, la oceanografía, la xeoloxía, la vulcanoloxía y otres disciplines. La investigación nesti campu ta tamién bien coneutada con otres árees d'estudiu como la climatoloxía.

Dellos exemplos de temes que foron estudiaos pola química de l'atmósfera son l'agua acedo, el smog fotoquímicu y el calentamientu global. La química atmosférica trata d'entender les causes d'estos problemes y, en llogrando una comprensión teórica de los mesmos, atopar soluciones posibles que puedan ser comprobaes y evaluar los efeutos de los cambeos nes polítiques gubernamentales.

Composición de l'atmósfera

Composición media del aire atmosférico seco, en % en volume
Gas	según NASA
Nitróxenu, N2	78.084%
Osíxenu, O2	20.946%
Argón, Ar	0.934%
Constituyentes menores (en ppm)
Neón, Ne	18.18
Heliu, He | 5.24
Metanu, CH4	1,7
Kriptón, Kr	1,14
Hidróxenu, H2	0,55
En agua
Vapor d'agua	Bien variable; típicamente, un 1%

Notes: les concentraciónes de CO₂ y CH₄ varíen cola estación meteorolóxica, y col llugar xeográficu. La masa molar media del aire ye 28,97 g/mol.

Concentración Total d'ozonu nel hemisferiu Sur (1957-2001) y furacu na capa d'ozonu.

Historia

Los antiguos griegos consideraben al aire como unu de los cuatro elementos, pero los primeros estudios científicos de la composición atmosférica empezaron nel sieglu XVIII. Químicos como Joseph Priestley, Antoine Lavoisier y Henry Cavendish fixeron les primeres midíes de la composición de l'atmósfera.

A finales del sieglu XIX y empiezos del XX l'interés movióse escontra los constituyentes qu'apaecíen en concentraciones bien pequeñes. Un fitu particularmente importante pa la química atmosférica foi'l descubrimientu del ozonu por Christian Friedrich Schoenbein en 1840.

Nel sieglu XX, la ciencia atmosférica pasó d'estudiar la composición del aire a considerar cómo camudaren col tiempu les concentraciones de gases traza na atmósfera y los procesos químicos que creen y destrúin los componentes del aire. Dos exemplos especialmente importantes d'esta cuestión foron la esplicación de cómo se crea y caltiénse la capa d'ozonu, obra de los astrónomos Sydney Chapman y Gordon Dobson, y l'esplicación de la borrina fotoquímico por Arie Jan Haagen-Smit. Estudios posteriores sobre la cuestión del ozonu conducieron al llogru del premiu Nobel de Química en 1995 a Paul Crutzen, Mario Molina y Frank Sherwood Rowland.

Nel sieglu XXI l'enfoque d'estudiu ta camudando de nuevu. La Química de l'atmósfera estúdiase cada vez más como una parte de les Ciencies de la tierra. En llugar de concentrase sobre la química atmosférica de manera aisllada, l'enfoque agora consiste en velo como una parte d'un sistema xunto al restu de l'atmósfera de la Tierra, la biosfera y la xeosfera. Un filu conductor especialmente importante pa esti enfoque fórmenlu les rellaciones ente la química y el clima, como los efeutos del cambéu climáticu sobre la recuperación del furacu d'ozonu y viceversa, y amás la interacción de la composición de l'atmósfera colos océanos y ecosistemes terrestres.

Metodoloxía

Los trés elementos centrales pal estudiu de la química atmosférica son les observaciones, les midíes de llaboratoriu y l'estudiu de modelos teóricos. El progresu nesta disciplina ye por cuenta de la interacción ente estos componentes que formen un tou completu. Por casu, les observaciones pueden dicinos qu'esiste más d'un compuestu químicu que primeramente s'especuló la so esistencia. Esto va aguiyar nuevos modelos y estudios de llaboratoriu que van amontar la nuesa comprensión científica hasta'l puntu en que podamos esplicar les nueses observaciones.

Observación

Les observaciones de la química atmosférica son esenciales pa la nuesa comprensión. Observaciones rutinaries de la composición química fálennos de los cambeos na composición atmosférica col tiempu. Un exemplu significativu d'esto ye la curva de Keeling - una serie de midíes dende 1958 hasta l'actualidá qu'amuesen una crecedera continua de la concentración de dióxidu de carbonu.

Diagrama del conteníu de vapor na atmósfera terrestre.

Estes observaciones fáense dende observatorios como Mauna Loa y en plataformes móviles a bordu d'aviones (como la Facility for Airborne Atmospheric Measurements del Reinu Xuníu), barcos y globos. Les observaciones de la composición de l'atmósfera fáense cada vez más dende satélites que porten preseos como GOME y MOPITT que nos dan una imaxe global de la contaminación y la química del aire. Les observaciones en superficie tienen la ventaya de suministrar rexistros al llargu plazu con gran resolución temporal pero tán llindaes al espaciu horizontal y vertical dende'l que se faen estes observaciones. Dellos preseos con base na superficie de la Tierra como LIDAR pueden suministrar perfiles de concentración de sustancies químiques y aerosoles pero tán acutaos inda a la rexón que pueden cubrir. Munches observaciones tán disponibles en llinia nes bases de datos observacionales de química atmosférica.

Midíes de llaboratoriu

Les midíes feches en llaboratoriu son esenciales pa la nuesa comprensión de les fontes y sumidorios de contaminantes y compuestos presentes na naturaleza. Los estudios de llaboratoriu dícennos qué gases reaccionen con otros y con qué velocidá reaccionen. Les midíes d'interés inclúin reacciones en fase gaseosa, sobre superficies y nel agua. La fotoquímica tamién ye importante pa cuantificar la velocidá cola que la lluz del Sol estrema a les molécules, los productos que se formen y dellos datos termodinámicos como los coeficientes de la llei de Henry.

Modelos

Pa resumir y comprobar la comprensión teórica de la química de l'atmósfera, úsense modelos informáticos, como los modelos de tresporte químicu. Los modelos numbéricos resuelven les ecuaciones diferenciales que gobiernen les concentraciones de sustancies químiques. Pueden ser bien simples o bien complicaos.

Dos modelos informáticos qu'amuesen la concentración de metanu na atmósfera, al nivel de la superficie y na estratosfera.

Nos modelos numbéricos hai que compensar el númberu de sustancies y reacciones químiques contemplaes frente a la representación del tresporte y amiestu na atmósfera. Por casu, un modelu de caxa podría incluyir cientos o inclusive miles de reacciones químiques pero namái va representar d'una manera bien somera los procesos d'amiestu na atmósfera. En contraste, los modelos 3D representen munchos de los procesos físicos de l'atmósfera pero, por cuenta de llimitaciones de los recursos informáticos, van contemplar bien poques reacciones y compuestos químicos. Los modelos pueden usase pa interpretar observaciones, comprobar la comprensión de les reacciones químiques y predicir les concentraciones de compuestos químicos na atmósfera. Un enfoque importante d'actualidá consiste en convertir los módulos de química atmosférica nuna parte de los modelos del sistema global terrestre nos que pueden estudiase los enllaces o rellaciones ente clima, composición atmosférica y la biosfera.

Dellos modelos constrúyense con xeneradores de códigu automáticu como Autochem o KPP. Nesti acercamientu escuéyese un conxuntu de constituyentes y un xenerador de códigu automáticu van escoyer les reacciones qu'afeuten a esos constituyentes nun catálogu de bases de datos de reacciones. Una vegada que s'escoyeron les reacciones, les ecuaciones diferenciales ordinaries que describen la so evolución nel tiempu constrúyense de manera automática.

Procesos químicos na troposfera

La troposfera ye la rexón inferior de l'atmósfera y nella tienen llugar dalgunos procesos básicos como:

• Ciclu fotoquímicu básicu del NO₂, NO y ozonu (O₃)

$NO_{2}\ {\xrightarrow {h\nu }}\ NO+O$

$O_{2}\,+\,O\,+\ M\longrightarrow O_{3}\,+\ M\quad onde\,M=O_{2},\,N_{2},\,CO_{2}$

y d'últimes

Formación del ozonu.

$O_{3}\,+\,NO\,\longrightarrow O_{2}\,+\,NO_{2}$

• Fotólisis del ozonu y formación del radical OH·

$O_{3}\ {\xrightarrow {h\nu }}\ O_{2}\,+\,O$

$O\,+\,H_{2}O\,\longrightarrow 2\,OH\cdot$

$O_{2}\,+\,O\,+\ M\longrightarrow O_{3}\,+\ M\quad onde\,M=O_{2},\,N_{2},\,CO_{2}$

• Formación del radical NO₃: A partir del radical OH fórmense los ácidos nítricu y nitrosu.

$OH\cdot \,+\,NO_{2}\,\longrightarrow HONO_{2}$

$OH\cdot \,+\,NO\,\longrightarrow HONO$

• Procesos nos que s'oxida'l monóxidu de carbonu, CO.

• Oxidación del metanu, CH₄.

• Degradación de compuestos orgánicos volátiles, COV:
  • alcanos, alquenos, alquinos, hidrocarburos arumosos y compuestos carbonilu.
  • radicales alquilu, hidroperoxilu, alquilperoxi y alcoxilu.

• Reacciones d'otros compuestos nitroxenaos inorgánicos y orgánicos:
  • Amoniacu.
  • acedos nitroso y nítrico.
  • compuestos orgánicos de nitróxenu.

• Reacciones de compuestos d'azufre:
  • Óxidos d'azufre.
  • Oxoácidos d'azufre (agua acedo)

Química de los halóxenos na estratosfera.

Procesos químicos na estratosfera

L'ozonu ye'l gas más interesante dende'l puntu de vista químicu na estratosfera.

• Producción d'ozonu: mecanismu de Chapman.

• Destrucción d'ozonu: ciclos catalíticos.

Artículu principal: Destrucción de la capa d'ozonu

• Reacciones ente halóxenos

Ver tamién

• Agua acedo
• Gas d'efeutu ivernaderu
• Contaminación atmosférica
• Ozonu
• Evaluación científica del amenorgamientu del ozonu
• Atmospheric Chemistry and Physics, una revista científica

Llectures adicionales

• Brown, Theodore L.; Bursten, Bruce Y.; Burdge, Julia R. (2004). Química: la ciencia central. Pearson Educación. ISBN 970-26-0468-0 Cap. 18.
• Baird, Colin. (2001). Química ambiental. Editorial Reverté. ISBN 84-291-7902-X Parte I: cap. 1 a 5.
• Martínez Ataz, Ernesto; Díaz de Mera Morales, Yolanda. (2004). Contaminación atmosférica. Ediciones de la Universidá de Castiella-La Mancha. ISBN 8484273245
• Wayne, Richard P. (2000). Chemistry of Atmospheres (3rd Ed.). Oxford University Press. ISBN 0-19-850375-X
• Seinfeld, John H.; Pandis, Spyros N. (2006). Atmospheric Chemistry and Physics - From Air Pollution to Climate Change (2nd Ed.). John Wiley and Sons, Inc. ISBN 0-471-82857-2
• Finlayson-Pitts, Barbara J.; Pitts, James N., Jr.; (2000) Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere. Academic Press. ISBN 0-12-257060-X
• Warneck, Peter (2000). Chemistry of the Natural Atmosphere (2nd Ed.). Academic Press. ISBN 0-12-735632-0
• Brasseur, Guy P.; Orlando, John J.; Tyndall, Geoffrey S. (1999). Atmospheric Chemistry and Global Change. Oxford University Press. ISBN 0-19-510521-4

Enllaces esternos

N'español

• Química de l'atmósfera (presentación en formatu pdf)
• Química atmosférica na troposfera terrestre.
• Química de l'atmósfera.

N'inglés

• WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006
• IGAC The International Global Atmospheric Chemistry Project
• Paul Crutzen Interview Freeview video of Paul Crutzen Nobel Laureate for his work on decomposition of ozone talking to Harry Kroto Nobel Laureate by the Vega Science Trust.
• The Cambridge Atmospheric Chemistry Database is a large constituent observational database in a common format.
• Environmental Science Published for Everybody Round the Earth
• NASA-JPL Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies
• Kinetic and photochemical data evaluated by the IUPAC Subcommittee for Gas Kinetic Data Evaluation
• Atmospheric Chemistry Glossary at Sam Houston State University
• Tropospheric chemistry
• Calculators for use in atmospheric chemistry
• An illustrated elementary assessment of the composition of air.

• Datos: Q287919
• Multimedia: Atmospheric chemistry