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Química de la atmósfera terrestre

Química Ambiental

Atmósfera

• Es la capa de gas que rodea a un cuerpo celeste.

• La atmósfera terrestre es la capa gaseosa que rodea al planeta Tierra.

• La palabra atmósfera se deriva de las raíces griegas: atmós = vapor y sphair = esfera.

• Esta esfera de vapor está constituida por una mezcla de gasesdiferentes y partículas sólidas en suspensión, tales como polvos,sales, iones y hasta partículas nucleares en las regiones mas alejadasde la superficie terrestre.

Origen y evolución de la atmósfera

• La Tierra, en sus principios, no tenía una atmósfera gaseosa.

• La tierra era relativamente más pequeña y no tenía una gran fuerzade gravedad para retener los componentes gaseosos ligeros muycomunes en ese tiempo: Hidrógeno, Helio, entre otros.

• La tierra aumentó de tamaño y masa, y como consecuencia aumentótambién su fuerza de gravedad y la capacidad de retener lo elementosgaseosos.

• La tierra fue suficientemente grande para retener una atmósfera.


• Los gases nobles (Helio, He, Neón, Ne, Argón, Ar, Kriptón, Kr, y Xenón,Xe) fueron los primeros gases que existieron, los cuales secondensaron y formaron la tierra sólida.

• Estos gases deben haber estado presentes en considerablesconcentraciones; aunque durante el proceso de condensación lamayor parte de estos gases primarios se perdió, una parte al espacioabierto y otra parte para formar gases secundarios, tales como elNitrógeno, N, el dióxido de Carbono y el vapor de agua.

• Las distintas concentraciones de los gases nobles sugieren que laatmósfera terrestre es una atmósfera secundaria.


• La atmósfera secundaria: grandes cantidades de Nitrógeno, vapor deagua y dióxido de carbono y con menores concentraciones de gasesnobles

• Conforme la tierra se fue enfriando, el vapor de agua se fuecondensando y precipitándose, formando los océanos; mientras quela mayor parte del dióxido de carbono formó rocas dejando libre elNitrógeno para formar la atmósfera.

• El oxígeno es producido por la fotodisociación del vapor de agua (quea su vez proviene de los océanos).


• El vapor de agua disociado, también produce hidrógeno, el cual porsu peso ligero puede escapar fácilmente del campo gravitacional de latierra, y perderse en el espacio exterior.

• El Oxígeno molecular, O2, por el contrario de mayor peso, permaneceatrapado por el campo gravitacional y forma parte de los procesos deoxidación y de los procesos biológicos, tales como la respiración(consumo de O2) y la fotosíntesis (generación de O2) en la superficieterrestre.

• El Nitrógeno, por el contrario, proviene del interior de la tierra,principalmente a través de las erupciones volcánicas.


• En los niveles atmosféricos superiores, la concentración de los gasesmenos pesados, tales como el Helio, y el Hidrógeno, se hace másimportante.

• El oxido nitroso, N2O, y el metano, CH4, se originan de procesosorgánicos en la superficie terrestre.

• Los principales gases atmosféricos, tales como el Nitrógeno, elOxígeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua, están reguladosmediante los ciclos físico-químicos naturales, fuertementeinfluenciados por los procesos biológicos.


• Al ir aumentando la concentración de Oxígeno molecular, en la atmósfera superior, absorbe radiación solar de muy alta energía, produciendo Ozono.

• Conforme la atmósfera fue evolucionando el Oxígeno y el Ozono fueron aumentando de concentración, pero también las distintas formas de vida fueron evolucionando.

• La atmósfera también ha influenciado la evolución de los continentes por medio de erosión.

• La atmósfera ha sido también importante en la evolución de los océanos, a través de los procesos de evaporación y precipitación.

Composición de la atmósfera

• La composición de la atmósfera depende de:• la forma en que el planeta y su atmósfera se originaron

• procesos físicos, químicos y biológicos que continuamente modifican losgases. Esto se puede llevar a cabo por medio de fenómenos tales como laserupciones volcánicas, que incrementan la concentración de gases en laatmósfera; mientras que las reacciones fotoquímicas entre la radiación solar yalgunos gases, o simplemente el escape de los gases ligeros en el tope de laatmósfera, disminuyen las concentraciones de otros gases.


• La composición química de la atmósfera empezó a ser estudiada en elsiglo XVIII:• Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), la Ley de la Conservación de la

Materia y descubrimiento de la composición del aire.

• Karl Wilhelm Scheele (1742-1786), quién descubrió el Oxígeno en laatmósfera.

• Ambos científicos demostraron independientemente, que el aire estácompuesto por una mezcla de gases con una proporción aproximada de 1/5de Oxígeno y 4/5 de Nitrógeno.


• Los primeros experimentos mostraron que la composición del aireseco y puro (es decir, sin vapor de agua, ni contaminantes) semantiene constante y uniforme por abajo de los 80 km; es decir, laproporción relativa de cada componente varía uniformemente y semantiene constante, esto significa que existe una considerable mezclavertical, contrarrestando la tendencia natural de los componentes asepararse debido al efecto gravitacional.


• Por arriba de los 80 km los procesos de mezcla en la atmósfera sonmuy pequeños, por lo que la difusión molecular domina en ladistribución individual de los gases; de tal manera que los gases máspesados permanecen en niveles bajos, mientras que la concentraciónde gases ligeros tiende a ser más importante en niveles superiores.


• La atmósfera es una mezcla de tres tipos de constituyentesgaseosos:• Gases permanentes

• Gases variables

• Componentes no gaseosos

Composición de la atmósfera:Gases permanentes

• El Nitrógeno molecular, N2, y el Oxígeno molecular, O2, forman el 99% del volumen de la atmósfera. Estos gases son pasivos en losprocesos meteorológicos, aunque el Oxígeno puede reaccionarquímicamente con otros componentes o con la radiación solar, perosiempre manteniendo su proporción permanentemente.

• Aunque estos dos gases son los de mayor concentración en laatmósfera y el oxígeno es particularmente importante en todos losprocesos biológicos, ninguno de estos gases es significativamenteimportante en el estudio de los fenómenos meteorológicos yclimáticos.

Composición de la atmósfera:Gases variables

• Existen principalmente tres gases atmosféricos que tienen una gran importancia en los distintos procesos meteorológicos: • vapor de agua

• dióxido de carbono

• ozono.

Composición de la atmósferaGases variables: agua

• La principal fuente del vapor de agua es el océano y todos los grandescuerpos de agua en la superficie terrestre, así como la flora y la fauna, através del proceso de evapotranspiración.

• La importancia: relación directa con todos los procesos meteorológicos,con la absorción de radiación infrarroja y con el balance de calor en laatmósfera.

• La cantidad de vapor de agua varía considerablemente de región a región,dependiendo principalmente de su cercanía a las zonas de mayorevaporación y donde la atmósfera tiene una mayor capacidad de retenciónde la humedad. Ya que toda el agua proviene de la superficie terrestre, laconcentración de esta decrece rápidamente con la altura.

Composición de la atmósferaGases variables: agua

• A diferencia de los otros constituyentes, el H2O puede cambiar deestado y convertirse de vapor a líquido, formándose las gotas de lluviay precipitarse de regreso a la superficie terrestre, siendo esta laprincipal causa por la que la concentración de vapor de aguadisminuye drásticamente con la altura.

• El vapor de agua tiene una concentración máxima del orden del 4 %del volumen total de aire, cerca de la superficie de la tierra, pero esprácticamente nulo por arriba de los 15 km.

Composición de la atmósferaGases variables: dióxido de carbono

• También absorbe radiación infrarroja terrestre.

• Su principal fuente es el océano, que almacena una gran cantidad, serelaciona directamente con las principales actividades humanas, talescomo la combustión de hidrocarburos por la industria y la respiración,así como con la flora, en el proceso de la fotosíntesis.

• En el ciclo de carbono, el dióxido de carbono es el componente másimportante debido a su estabilidad y a su distribución en los tresmedios (aire, agua y sólido) terrestres.


• El gas de CO2 es continuamente transferido de la atmósfera a labiosfera por el proceso de la fotosíntesis y transferido a la atmósferapor medio de la oxigenación de los compuestos y fósiles orgánicos ypor la respiración de los seres vivos.

• El CO2 se comunica entre la atmósfera y la hidrosfera por medio delintercambio molecular en la interfase mar-aire.


• La importancia del CO2 en la concentración y composición de laatmósfera se hace evidente en:• Los distintos procesos de oxidación

• Su participación en la fotosíntesis

• Su alta solubilidad en los océanos

• Su rápida difusión en la atmósfera.

Composición de la atmósferaGases variables: ozono

• Es una molécula compuesta por tres átomos de Oxígeno.

• El O3 se forma en la atmósfera al disociarse el Oxígeno molecular porla radiación ultravioleta en altitudes entre 20 y 70 km, con su máximaconcentración en la vecindad de 20 a 30 km, en la estratosfera, y estádirectamente relacionada con el aumento de la temperatura en laestratopausa, a los 50 km de altura aproximadamente.

Composición de la atmósferaGases variables: ozono

• La principal importancia de este constituyente radica en su funciónprotectora de radiación solar ultravioleta.

• La concentración y existencia de estos gases variables dependefuertemente de los procesos térmicos y dinámicos de escala local, asícomo de las distintas actividades humanas.

Composición de la atmósferaComponentes no gaseosos

• En la atmósfera también se encuentra un gran número decomponentes no gaseosos, conocidos como aerosoles, tales como laspartículas volcánicas, polvos, humos, sales, etc.

• Las concentraciones de estos componentes pueden variargrandemente, como por ejemplo, cuando ocurre una erupciónvolcánica cubriendo una gran extensión de la atmósfera o sobre lasciudades industriales en que se emiten distintos contaminantes.

• Todos estos constituyentes tienen un efecto importante en lacomposición atmosférica.

Composición de la atmósferaComponentes no gaseosos

• Los aerosoles pueden ser sólidos o líquidos y son muy importantes endistintos procesos atmosféricos, tales como la formación de nubes, laprecipitación la visibilidad y el balance de calor.

• Las principales fuentes de emisión de aerosoles son las erupcionesvolcánicas, la erosión de la superficie terrestre, la contaminaciónindustrial y la evaporación de los océanos que transporta sales a laatmósfera.


• Se considera que la atmósfera, compuesta de aire seco y limpio, tieneprincipalmente los siguientes elementos : Nitrógeno (78.08 %),Oxígeno (20.95 %), Argón (0.93 %), dióxido de Carbono (0.03 %) ygases neutros (0.01 %).

• Además, en condiciones normales, el aire contiene también otroscomponentes tales como agua (vapor, líquido, sólido), polvos, humos,granos de polen, contaminantes químicos, sales y distintos aerosolesque flotan o están suspendidos en la atmósfera.


• Estos componentes, que son altamente variables en tiempo yespacio, tienen una función muy importante en los procesosmeteorológicos, particularmente el agua, los aerosoles y loscontaminantes químicos, que son partículas higroscópicas, y puedenservir como núcleos de condensación, en los que se aglomeranmoléculas de vapor de agua para formar gotas y finalmente sistemasde nubes.

Variación en la altura de la composición de la atmósfera

• La composición gaseosa de la atmósfera depende principalmente dela fuerza de gravedad del planeta; de tal manera que, mientras mayorsea la fuerza de gravedad, los gases ligeros serán retenidos másfácilmente; mientras que a menor fuerza de gravedad, solo loselementos mas pesados podrán ser retenidos en el campogravitacional del planeta y formar la atmósfera.

• Este concepto está representado por la velocidad de escape, ve,requerida por las moléculas para liberarse del efecto gravitacional delplaneta.


• La atmósfera terrestre se encuentra en un estado de balancehidrostático; de tal manera que las componentes atmosféricas másabundantes, tales como el N2 y O2 tienen una variación exponencialen función de la altura y la temperatura.

• Por el contrario, los gases de menor concentración proporcional,tales como el CO2, el H2O, el O3 y el CH4, dependerán de las fuentesque los producen y de los procesos dinámicos y termodinámicos de laatmósfera, en consecuencia su distribución vertical será muy variable.


• El vapor de agua y el ozono son quizás los componentes que mássufren variaciones con la altura. Ambos son muy importantes en laabsorción de radiación terrestre y solar, respectivamente, ycontribuyen al balance de energía en el sistema terrestre

Divisiones de la atmósfera terrestre

• Según la composición y la variación de temperatura la atmósfera terrestre se divide en varias capas:• Troposfera

• Estratosfera

• Mesosfera

• Termosfera o ionosfera

Troposfera

• Es la capa más delgada de la atmósfera (10 km)

• Los fenómenos que influyen en el clima, como la lluvia, las tormentas eléctricas o los huracanes.

• La temperatura disminuye casi linealmente con el incremento en la altitud.

Estratosfera

• Compuesta por nitrógeno, oxígeno y ozono.

• La temperatura del aire aumenta con la altitud. Este efecto decalentamiento se debe a las reacciones exotérmicas provocadas por laradiación UV del Sol.

• El ozono (O3) es uno de los productos de esta secuencia dereacciones. El ozono tiene la función de prevenir que los nocivosrayos UV lleguen a la superficie de la Tierra.

Mesosfera

• La concentración de ozono y otros gases es baja.

• La temperatura disminuye a medida que aumenta la altitud.

Termosfera o ionosfera

• Es la capa más externa de la atmósfera.

• El aumento de temperatura en esta región se debe al bombardeo de nitrógeno y oxígeno moleculares y de especies atómicas por partículas energéticas, como los electrones y protones, provenientes del Sol.

Reacciones de la atmósfera

El óxido nítrico NO

• El óxido nítrico (NO), el óxido de nitrógeno más sencillo, es unamolécula con número impar de electrones, y por tanto esparamagnética.

• El NO es un gas incoloro (punto de ebullición de –152°C) que puedeprepararse en el laboratorio haciendo reaccionar nitrito de sodio(NaNO2) con un agente reductor como el Fe2+ en un medio ácido.

El óxido nítrico NO

• Entre las fuentes ambientales del óxido nítrico se encuentran laignición de combustibles fósiles que contienen compuestos denitrógeno y la reacción entre el nitrógeno y el oxígeno en el interiorde un motor de automóvil a altas temperaturas N2(g) + O2(g) →2NO(g).

• Los relámpagos también contribuyen a la concentración atmosféricadel NO. El óxido nítrico expuesto al aire forma con rapidez un gascolor café de dióxido de nitrógeno: 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) Eldióxido de nitrógeno es un componente principal de la contaminaciónatmosférica.

Contaminación atmosférica

• Es la presencia en la atmósfera de sustancias en una cantidad queimplique trastornos o riesgos para la salud de las personas y de losdemás seres vivos, provienen de cualquier naturaleza, pueden atacara distintos materiales, reducir la visibilidad o producir oloresdesagradables.

• El nombre de la contaminación atmosférica se aplica por lo general alas alteraciones que tienen efectos perniciosos en los seres vivos y loselementos materiales, y no a otras alteraciones inocuas.

• Los contaminantes atmosféricos pueden clasificarse como: primarioso secundarios.

Contaminantes atmosféricos primarios

• Son los contaminantes que se emiten directamente a la atmósferacomo el dióxido de azufre SO2 , que daña directamente la vegetacióny es irritante para los pulmones.

Contaminantes atmosféricos secundarios

• Son aquellos contaminantes que se forman mediante procesosquímicos atmosféricos que actúan sobre los contaminantes primarioso sobre especies no contaminantes en la atmósfera. Son importantescontaminantes secundarios el ácido sulfúrico, H2SO4 , que se formapor la oxidación del SO2 , el dióxido de nitrógeno NO2 , que se formaal oxidarse el contaminante primario NO y el ozono, O3 , que se formaa partir del oxígeno O2.

Contaminantes del aire

• En ambientes exteriores e interiores los vapores y contaminantesgaseosos aparece en diferentes concentraciones.

• Diferentes fuentes producen estos compuestos químicos pero laprincipal fuente artificial es la quema de combustible fósil.

• La contaminación del aire interior es producida por el consumo detabaco, el uso de ciertos materiales de construcción, productos delimpieza y muebles del hogar.

Contaminación del aire

• Los contaminantes gaseosos del aire provienen de volcanes, eindustrias.

• El tipo más comúnmente reconocido de contaminación del aire es laniebla tóxica (smog).

• La niebla tóxica generalmente se refiere a una condición producidapor la acción de la luz solar sobre los gases de escape de automotoresy fábricas.

Contaminantes del aire

• Los contaminantes gaseosos más comunes son:• El dióxido de carbono

• El monóxido de carbono

• Los hidrocarburos

• Los óxidos de nitrógeno

• Los óxidos de azufre

• El ozono

Gases contaminantes de la atmósfera: CFC

• Desde los años 1960, se ha demostrado que los clorofluorocarbonos(CFC, también llamados "freones") tienen efectos potencialmentenegativos: contribuyen de manera muy importante a la destrucciónde la capa de ozono en la estratosfera, así como a incrementar elefecto invernadero.

• El protocolo de Montreal puso fin a la producción de la gran mayoríade estos productos.

Gases contaminantes de la atmósfera: CFC

• Utilizados en los sistemas de refrigeración y de climatización por sufuerte poder conductor, son liberados a la atmósfera en el momentode la destrucción de los aparatos viejos.

• Utilizados como propelente en los aerosoles, una parte se libera encada utilización. Los aerosoles utilizan de ahora en adelante otrosgases sustitutivos, como el CO2 .

Gases contaminantes: CO

• Llamado anhídrido carbonoso (sistema clásico), óxido de carbono (II)(sistema stock) o monóxido de carbono (sistema estequiométrico).

• Es uno de los productos de la combustión incompleta.

• Es peligroso para las personas y los animales, puesto que se fija en lahemoglobina de la sangre, impidiendo el transporte de oxígeno en elorganismo.

• Además, es inodoro, y a la hora de sentir un ligero dolor de cabeza yaes demasiado tarde. Se diluye muy fácilmente en el aire ambiental,pero en un medio cerrado, su concentración lo hace muy tóxico,incluso mortal.

Gases contaminantes: CO

• Cada año, aparecen varios casos de intoxicación mortal, a causa deaparatos de combustión puestos en funcionamiento en unahabitación mal ventilada.

• Los motores de combustión interna de los automóviles emitenmonóxido de carbono a la atmósfera por lo que en las áreas muyurbanizadas tiende a haber una concentración excesiva de este gashasta llegar a concentraciones de 50-100 ppm, tasas que sonpeligrosas para la salud de las personas.

Gases contaminantes: CO2

• Llamado anhídrido carbónico (sistema clásico), óxido de carbono (IV)(sistema stock), dióxido de carbono (sistema estequiométrico).

• La concentración de CO2 en la atmósfera está aumentando de formaconstante debido al uso de carburantes fósiles como fuente deenergía y es teóricamente posible demostrar que este hecho es elcausante de producir un incremento de la temperatura de la Tierra -efecto invernadero-.

Gases contaminantes:CO2

• La amplitud con que este efecto puede cambiar el clima mundialdepende de los datos empleados en un modelo teórico, de maneraque hay modelos que predicen cambios rápidos y desastrosos delclima y otros que señalan efectos climáticos limitados.

• La reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera permitiría que elciclo total del carbono alcanzara el equilibrio a través de los grandessumideros de carbono como son el océano profundo y lossedimentos.

Gases contaminantes: NO

• Llamado óxido nítrico (sistema clásico), óxido de nitrógeno (II)(sistema stock) o monóxido de nitrógeno (sistema estequiométrico).

• Es un gas incoloro y poco soluble en agua que se produce por laquema de combustibles fósiles en el transporte y la industria.

• Se oxida muy rápidamente convirtiéndose en dióxido de nitrógeno,NO2 , y posteriormente en ácido nítrico, HNO3 , produciendo así lluviaácida.

Gases contaminantes: SO2

• Llamado anhídrido sulfuroso (sistema clásico), óxido de azufre (IV)(sistema stock), dióxido de azufre (sistema estequiométrico).

• La principal fuente de emisión de dióxido de azufre a la atmósfera esla combustión del carbón que contiene azufre.

• El SO2 resultante de la combustión del azufre se oxida y forma ácidosulfúrico, H2SO4 un componente de la llamada lluvia ácida que esnocivo para las plantas, provocando manchas donde las gotas delácido entra en contacto con las hojas.


• La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina conel óxidos de nitrógeno o el dióxido de azufre emitido por fábricas,centrales eléctricas y automotores que queman carbón o aceite.

• Esta combinación química de gases con el vapor de agua forma elácido sulfúrico y los ácidos nítricos, sustancias que caen en el suelo enforma de precipitación o lluvia ácida.


• Los contaminantes que pueden formar la lluvia ácida pueden recorrergrandes distancias, y los vientos los trasladan miles de kilómetrosantes de precipitarse con el rocío, la llovizna, o lluvia, el granizo, lanieve o la niebla normales del lugar, que se vuelven ácidos alcombinarse con dichos gases residuales.

• El SO2 también ataca a los materiales de construcción que suelenestar formados por minerales carbonatados, como la piedra caliza o elmármol, formando sustancias solubles en el agua y afectando a laintegridad y la vida de los edificios o esculturas.

Gases contaminantes: CH4

• Metano

• Gas que se forma cuando la materia orgánica se descompone encondiciones en que hay escasez de oxígeno; esto es lo que ocurre enlas ciénagas, en los pantanos y en los arrozales de los países húmedostropicales.

• También se produce en los procesos de la digestión y deposición(eyección de desechos) de los animales herbívoros.

• El metano es un gas de efecto invernadero que contribuye alcalentamiento global del planeta Tierra ya que aumenta la capacidadde retención del calor por la atmósfera.

Gases contaminantes: O3

• Ozono

• Es un constituyente natural de la atmósfera, pero cuando suconcentración es superior a la normal se considera como un gascontaminante.

• Su concentración a nivel del mar, puede oscilar alrededor de 0.01mg/kg. Cuando la contaminación debida a los gases de escape de losautomóviles es elevada y la radiación solar es intensa, el nivel deozono aumenta y puede llegar hasta 0.1 mg/kg.

Gases contaminantes: O3

• Las plantas pueden ser afectadas en su desarrollo porconcentraciones pequeñas de ozono.

• El hombre también resulta afectado por el ozono a concentracionesentre 0.05 y 0.1 mg/kg, causando irritación de las fosas nasales ygarganta, así como sequedad de las mucosas de las vías respiratoriassuperiores.

Algunos contaminantes provienen de fuentes naturales

Química de la atmósfera terrestre

Química Ambiental

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