Química de la atmósfera

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Diagrama de las sustancias químicas y procesos de transporte relacionados con la composición de la atmósfera.

La composición química de la atmósfera es importante por varias razones, pero principalmente por las interacciones entre la atmósfera y los seres vivos. La composición de la atmósfera de la Tierra ha estado cambiando a causa de la actividad humana y algunos de estos cambios son perjudiciales para el bienestar humano, los cultivos y los ecosistemas.

La química de la atmósfera es una rama de la ciencias de la atmósfera en la que se estudian los procesos químicos que tienen lugar en la atmósfera de la Tierra y de otros planetas. Se caracteriza por la enorme dilución de las sustancias presentes en ella y por la influencia de las radiaciones presentes sobre dichas sustancias.[1]

Es un campo multidisciplinar de investigación y está conectada con la química ambiental, la física, la meteorología, los modelos informáticos, la oceanografía, la geología, la vulcanología y otras disciplinas. La investigación en este campo estátambién muy conectada con otras áreas de estudio como la climatología.[2]

Algunos ejemplos de temas que han sido estudiados por la química de la atmósfera son la lluvia ácida, el smog fotoquímico y el calentamiento global. La química atmosférica trata de entender las causas de estos problemas y, tras obtener una comprensión teórica de los mismos, encontrar soluciones posibles que puedan ser comprobadas y evaluar los efectos de los cambios en las políticas gubernamentales.

Composición de la atmósfera[editar]

Composición media del aire atmosférico seco,[3] en % en volumen
Gas según NASA
Nitrógeno, N2 78.084%
Oxígeno, O2 20.946%
Argón, Ar 0.934%
Constituyentes menores (en ppm)
3 18.18
Helio, He 5.24
Metano, CH4 1.7
Kriptón, Kr 1.14
Hidrógeno, H2 0.55
Agua
Vapor de agua Muy variable;
típicamente, un 1%

Notas: la concentración de CO2 y CH4 varián con la estación meteorológica, y con el lugar geográfico. La masa molar media del aire es 28.97 g/mol.

Concentración Total de ozono en el hemisferio Sur (1957-2001) y agujero en la capa de ozono.

Historia[editar]

Los antiguos griegos consideraban al aire como uno de los cuatro elementos, pero los primeros estudios científicos de la composición atmosférica comenzaron en el siglo XVIII. Químicos como Joseph Priestley, Antoine Lavoisier y Henry Cavendish hicieron las primeras medidas de la composición de la atmósfera.

A finales del siglo XIX y comienzos del XX el interés se desplazó hacia los constituyentes que aparecían en concentraciones muy pequeñas. Un hito particularmente importante para la química atmosférica fue el descubrimiento del ozono por Christian Friedrich Schoenbein en 1840.

En el siglo XX, la ciencia atmosférica pasó de estudiar la composición del aire a considerar cómo habían cambiado con el tiempo las concentraciones de gases traza en la atmósfera y los procesos químicos que crean y destruyen los componentes del aire. Dos ejemplos especialmente importantes de esta cuestión fueron la explicación de cómo se crea y se mantiene la capa de ozono, obra de los astrónomos Sydney Chapman y Gordon Dobson, y la explicación de la niebla fotoquímica por Arie Jan Haagen-Smit. Estudios posteriores sobre la cuestión del ozono condujeron a la obtención del premio Nobel de Química en 1995 a Paul Crutzen, Mario Molina y Frank Sherwood Rowland.[4]

En el siglo XXI el enfoque de estudio está cambiando de nuevo. La Química de la atmósfera se estudia cada vez más como una parte de las Ciencias de la tierra. En lugar de concentrarse sobre la química atmosférica de modo aislado, el enfoque ahora consiste en verlo como una parte de un sistema junto al resto de la atmósfera de la Tierra, la biosfera y la geosfera. Un hilo conductor especialmente importante para este enfoque lo forman las relaciones entre la química y el clima, como los efectos del cambio climático sobre la recuperación del agujero de ozono y viceversa, y además la interacción de la composición de la atmósfera con los océanos y ecosistemas terrestres.

Metodología[editar]

Los tres elementos centrales para el estudio de la química atmosférica son las observaciones, las medidas de laboratorio y el estudio de modelos teóricos. El progreso en esta disciplina es debido a la interacción entre estos componentes que forman un todo completo. Por ejemplo, las observaciones pueden decirnos que existe más de un compuesto químico que previamente se había especulado su existencia. Esto estimulará nuevos modelos y estudios de laboratorio que incrementarán nuestra comprensión científica hasta el punto en que podamos explicar nustras observaciones.

Observación[editar]

Las observaciones de la química atmosférica son esenciales para nuestra comprensión. Observaciones rutinarias de la composición química nos hablan de los cambios en la composición atmosférica con el tiempo. Un ejemplo significativo de esto es la curva de Keeling - una serie de medidas desde 1958 hasta la actualidad que muestran un crecimiento continuo de la concentración de dióxido de carbono.

Diagrama del contenido de vapor en la atmósfera terrestre.

Estas observaciones se hacen desde observatorios como Mauna Loa y en plataformas móviles a bordo de aviones (como la Facility for Airborne Atmospheric Measurements del Reino Unido), barcos y globos. Las observaciones de la composición de la atmósfera se hacen cada vez más desde satélites que portan instrumentos como GOME y MOPITT que nos dan una imagen global de la contaminación y la química del aire. Las observaciones en superficie tienen la ventaja de suministrar registros a largo plazo con gran resolución temporal pero están limitadas al espacio horizontal y vertical desde el que se realizan dichas observaciones. Algunos instrumentos con base en la superficie de la Tierra como LIDAR pueden suministrar perfiles de concentración de sustancias químicas y aerosoles pero están restringidos todavía a la región que pueden cubrir. Muchas observaciones están disponibles en línea en las bases de datos observacionales de química atmosférica.

Medidas de laboratorio[editar]

Las medidas hechas en laboratorio son esenciales para nuestra comprensión de las fuentes y sumideros de contaminantes y compuestos presentes en la naturaleza. Los estudios de laboratorio nos dicen qué gases reaccionan con otros y con qué velocidad reaccionan. Las medidas de interés incluyen reacciones en fase gaseosa, sobre superficies y en el agua. La fotoquímica también es importante para cuantificar la velocidad con la que la luz del Sol divide a las moléculas, los productos que se forman y algunos datos termodinámicos como los coeficientes de la ley de Henry.

Modelos[editar]

Para resumir y comprobar la comprensión teórica de la química de la atmósfera, se usan modelos informáticos, comolos modelos de transporte químico. Los modelos numéricos resuelven las ecuaciones diferenciales que gobiernan las concentraciones de sustancias químicas. Pueden ser muy simples o muy complicados.

Dos modelos informáticos que muestran la concentración de metano en la atmósfera, al nivel de la superficie y en la estratosfera.

En los modelos numéricos hay que compensar el número de sustancias y reacciones químicas contempladas frente a la representación del transporte y mezcla en la atmósfera. Por ejemplo, un modelo de caja podría incluir cientos o incluso miles de reacciones químicas pero sólo representará de un modo muy somero los procesos de mezcla en la atmósfera. En contraste, los modelos 3D representan muchos de losprocesos físicos de la atmósfera pero, debido a limitaciones de los recursos informáticos, contemplarán muy pocas reacciones y compuestos químicos. Los modelos pueden usarse para interpretar observaciones, comprobar la comprensión de las reacciones químicas y predecir las concentraciones de compuestos químicos en la atmósfera. Un enfoque importante de actualidad consiste en convertir los módulos de química atmosférica en una parte de los modelos del sistema global terrestre en los que se pueden estudiar los enlaces o relaciones entre clima, composición atmosférica y la biosfera.

Algunos modelos se construyen con generadores de código automático como Autochem o KPP. En este acercamiento se elige un conjunto de constituyentes y un generador de código automático seleccionarán las reacciones que afectan a esos constituyentes en un catálogo de bases de datos de reacciones. Una vez que se han elegido las reacciones, las ecuaciones diferenciales ordinarias que describen su evolución en el tiempo se construyen de modo automático.

Procesos químicos en la troposfera[editar]

La troposfera es la región inferior de la atmósfera y en ella tienen lugar algunos procesos básicos como:[5]

  • Ciclo fotoquímico básico del NO2, NO y ozono (O3)

 NO_2 \, + \, h\nu \, \longrightarrow NO \, + \, O

 O_2 \, + \, O \, + \ M \longrightarrow O_3  \, + \ M \quad donde \, M=O_2, \, N_2, \, CO_2

y por último

Formación del ozono.

 O_3 \, + \, NO \,  \longrightarrow O_2  \, + \, NO_2

  • Fotólisis del ozono y formación del radical OH·

 O_3 \, + \, h\nu \, \longrightarrow O_2 \, + \, O

 O \, + \, H_2O \, \longrightarrow 2 \, OH \cdot

 O_2 \, + \, O \, + \ M \longrightarrow O_3  \, + \ M \quad donde \, M=O_2, \, N_2, \, CO_2

  • Formación del radical NO3: A partir del radical OH· se forman los ácidos nítrico y nitroso.

 OH \cdot \, + \, NO_2 \, \longrightarrow HONO_2

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

Química de los halógenos en la estratosfera.

Procesos químicos en la estratosfera[editar]

El ozono es el gas más interesante desde el punto de vista químico en la estratosfera.[6]

  • Destrucción de ozono: ciclos catalíticos.


Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Introducción a la química ambiental. Stanley E. Manahan. Editorial Reverté, 2007. ISBN:8429179070. Pág. 7
  2. Introducción a la química ambiental. Stanley E. Manahan. Editorial Reverté, 2007. ISBN: 8429179070. Capítulos 8, 9 y 10. Páginas 353-490
  3. Química física del ambiente y de los procesos medioambientales. Juan E. Figueruelo, Martín Marino Dávila. Editorial Reverté, 2004. ISBN: 8429179038. Pág. 12
  4. Nota de prensa sobre el premio Nobel de Química 1995
  5. Contaminación atmosférica. Ernesto Martínez Ataz (coord.), Yolanda Díaz de Mera Morales (coord.). Editorial Univ. de Castilla La Mancha, 2004. ISBN: 8484273245. Química de la troposfera. Beatriz Cabañas Galán.
  6. Química física del ambiente y de los procesos medioambientales. Juan E. Figueruelo, Martín Marino Dávila. Editorial Reverté, 2004. ISBN: 8429179038. Cap. 8

Lecturas adicionales[editar]

En español[editar]

  • Brown, Theodore L.; Bursten, Bruce E.; 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 Universidad de Castilla-La Mancha. ISBN: 8484273245.

En inglés[editar]

  • 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.

Enlaces externos[editar]

En español[editar]


En inglés[editar]