geoquimica parte 8 atmosfera

Prof. S. Lo Mnaco. Geoqumica (2008)

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TEMA 8: La Atmsfera OBJETIVOS:

Saber las caractersticas fsicas y qumicas resaltantes de las capas atmosfricas. Entender la importancia de la Atmsfera en los procesos geoqumicos. Conocer la importancia de la capa de ozono en la conservacin de la vida en la tierra. Conocer los diferentes perodos de evolucin de la atmsfera y sus caractersticas ms resaltantes. Conocer los procesos posibles de desarrollo de oxgeno en el planeta y los factores que lo regulan.

Fotosntesis y fotoqumica. Conocer las principales prdidas y adiciones atmosfricas y las formas en que se producen.

ATMSFERA: Mezcla de gases que cubre el planeta, retenida por atraccin gravitacional muy densa a nivel del mar y se diluye hacia arriba.

MASA COMPARATIVA Tierra 6000*1024 Kg Hidrosfera 1.4*1024 Kg Atmsfera 0.005*1024 Kg

COMPOSICION Nitrgeno 78.08 % Oxgeno 20.95 % Argn 0.93 % Anhdrido Carbnico 0.033 % Neon, Helio, Kriptn, Xenn, Hidrgeno, Metano, Oxido nitroso

0.003 %


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Estructura de la Atmsfera

(*): Importante para el Ciclo Geoqumico: Contiene partculas de polvo, provenientes de: desiertos, lechos lacustrinos secos, actividad volcnica, incendios forestales, actividad industrial y automotora, nuclean vapor de agua que condensa para formar nubes y luego LLUVIA. (Este proceso no existe en la ESTRATSFERA)


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TROPSFERA: Es la capa atmosfrica ms cercana al planeta y contiene el mayor porcentaje de la masa total de la atmsfera. Se caracteriza por la densidad de su aire y el cambio promedio de temperatura vertical es de 6 grados C por kilmetro. El contenido de vapor de agua y la temperatura disminuyen rpidamente con la altura. El vapor de agua juega un papel importante en la regulacin de la temperatura del aire, debido a que absorbe energa solar y la radiacin trmica reflejada desde la superficie del planeta. ESTRATSFERA: Se localiza 10 y 50 km de altura. La temperatura del aire en esta capa permanece relativamente constante hasta una altura de 25 Km. Luego, aumenta gradualmente a 200-220 grados Kelvin (K) hasta ~50 km. Debido a que la temperatura de aire en la Estratosfera aumenta con la altura, no permite el proceso de conveccin, lo que tiene un efecto estabilizador sobre condiciones atmosfricas en la regin. La capa de ozono se encuentra en esta zona y juega el papel importante en la regulacin del rgimen trmico de la estratosfera debido a que el contenido de vapor de agua dentro de esta capa es muy bajo. La temperatura aumenta con la concentracin de ozono. La energa solar se convierte en energa cintica cuando las molculas de ozono absorben radiacin ultravioleta, lo que resulta en el calentamiento del aire. La capa de ozono se ubica a una altura entre 20-30 km. La concentracin de ozono es de aproximadamente 10 ppm, mientras que en la troposfera es de 0,04 ppm. El ozono absorbe la radiacin solar ultravioleta en las longitudes de onda entre 290 nm y 320 nm. Esta radiacin es nociva para la vida debido a que puede ser absorbida por los cidos nucleicos de las clulas. MESSFERA: Esta capa se extiende desde aproximadamente 50 a 80 km. La temperatura disminuye con la altura (alcanza entre 190-180 K a los 80 km). En esta regin, las concentraciones del vapor de agua y ozono son insignificantes. De aqu en adelante la temperatura es menor que en la Troposfera y Estratosfera. La composicin del aire en esta zona se hace dependiente de la altura y se enriquece en gases livianos y a alturas mayores los gases residuales comienzan a estratificarse segn su masa molecular, a causa de la gravedad. TERMSFERA: La temperatura en esta capa aumenta con la altura hasta 1000-1500 K. Este aumento se debe a la intensa absorcin de radiacin solar por la baja cantidad de oxgeno molecular. A una altura de 100 a 200 Km, los principales componentes atmosfricos siguen siendo nitrgeno y oxgeno. A estas grandes alturas, las molculas de gas estn bastante separadas (densidad muy baja).


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EXSFERA: Es la regin atmosfrica ms distante de la superficie de la Tierra. El lmite superior se extiende hasta una altura de 1000Km, aunque es relativamente indefinido. La exosfera es una zona transicional entre la atmsfera de Tierra y el espacio interplanetario.

EVOLUCION DE LA ATMOSFERA Se discute en trminos de:

Composicin de la Atmsfera Primigenia. Adiciones durante el tiempo geolgico. Prdidas durante el tiempo geolgico.

Holland (1.962), propone un modelo para explicar la evolucin de la atmsfera de la Tierra formada por acreacin de planetesimos (tipo condritos). Este modelo discute dicha evolucin en tres etapas:

Composicin qumica probable de las tres etapas de la evolucin de la atmosfera (segn Holland, 1962), tomado de la tabla 8.4 de Mason and Moore, 1982. Etapa I Etapa II Etapa III

Especies Mayoritarias P>10-2 Atm.

CH4 H2 (?)

N2 N2 O2

Especies Minoritarias

10-2 < P< 10-4 Atm. H2 (?) H2O N2 H2S NH3 Ar

H2O CO2 Ar

Ar H2O CO2

Especies Minoritarias 10-4 < P< 10-6 Atm.

He Ne He CH4 NH3 (?) SO2 (?) H2S (?)

Ne He CH4 Kr


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Atmsfera Primigenia:

La atmsfera se inicia de gases ocluidos o combinados con los planetsimos, liberados por el calor y las reacciones qumicas asociadas a la agregacin del protoplaneta Tierra.

Sobre esta base, los constituyentes atmosfricos han sido "EXALADOS" del interior de la tierra debido a su diferenciacin. Las evidencias se encuentran en la comparacin de las abundancias csmicas y terrestres de los elementos.

La siguiente Tabla muestra el factor de deficiencia de un elemento en la Tierra con relacin a su abundancia csmica:

Un Factor de Deficiencia igual o cercano a cero, implica que la abundancia del elemento en consideracin es similar en todo el sistema solar. Un Factor de Deficiencia significativamente mayor a cero, implica que la abundancia del elemento en consideracin es diferente a la que posee en el sistema solar. Ejemplos:

El factor de deficiencia del He (15), indica que al ser de masa atmica muy pequea tiende a difundir hacia el espacio y como es un gas inerte no reacciona y por lo tanto no es retenido en el planeta.

El factor de deficiencia del H (6.4), tambin de masa atmica muy pequea (menor a la del He) tiende a difundir hacia el espacio, pero en este caso el no es inerte y reacciona para formar agua y es retenido en el planeta.

El factor de deficiencia alrededor de cero de los metales como Na, Mg, Al y el Si, indican que el planeta se form principalmente a partir de condritos.


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Etapa I: Reductora Etapa anterior a la diferenciacin geoqumica primaria del planeta. La composicin del planeta es uniforme (condrtica). El Volcanismo es diferente al actual. Gases atmosfricos existentes, son aquellos que estn en equilibrio con el Fe:

H2 >> H2O, CO >>> N2, CO2, H2S Durante el enfriamiento:

CO2 + *2H2 CH4 + O2 CO + *2H2 CH4 + O2 N2 + 2NH3 + 3/2O2

*: Depende de la velocidad de difusin hacia el Espacio Al alcanzar la Temperatura de condensacin de Agua: (ver tabla tabla 8.4) La atmsfera es rica en: CH4, H2 >> (H2O, N2, H2S, NH3, Ar) >> He La duracin de esta etapa es de aproximadamente 500*106 aos (similar al tiempo de formacin del ncleo). La concentracin de Fe hacia el ncleo del planeta, deja al manto silicatado con una composicin similar al actual y el volcanismo subsecuente fue acompaado de gases mas oxidantes. Etapa II: intermedia Duracin aproximada de 1500*106 aos Disociacin fotoqumica de agua en la parte superior de la atmsfera.

2H2O + hv O2 + H2 (escapa al espacio) Comienzo de la fotosntesis: En esta etapa, este proceso ocurre dentro de los cuerpos de agua. De esta forma, los organismos fotosintticos lograban proteccin contra las radiaciones ultravioleta proveniente del sol.

nCO2 + nH2O (CH2O)n + nO2 El oxgeno producido no se acumula sino que es utilizado en la oxidacin de los componentes que estn en estado reducido de los gases volcnicos. Composicin de esta etapa: N2 >> H2O, CO2 >> Resto Etapa III: Oxidante Comienza cuando: O2 Usado H2O, CO2 >> Resto


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El comienzo de la etapa III del modelo de Holland, es decir el surgimiento de la atmosfera oxidante se le conoce tambin como: La Gran Oxidacin que fue un cambio ambiental muy importante que ocurri probablemente sobre el al comienzo del Proterozoico, hace alrededor de 2.400 millones de aos atrs. Tambin se denomina crisis del oxgeno, revolucin del oxgeno o catstrofe del oxgeno. Los primeros organismos fotosintticos realizaban la fotosntesis anoxignica, en la cual no se desprende oxgeno. Cuando surgieron los primeros organismos capaces de realizar la fotosntesis oxignica (como las cianobacterias) hace unos 2.800 millones de aos, se empez a producir oxgeno molecular en grandes cantidades. La emisin de oxgeno al medio ambiente eventualmente provoc una crisis ecolgica para la biodiversidad de la poca, pues el oxgeno es txico para los microorganismos anaerobios dominantes entonces. Sin embargo, este cambio transformacional tambin ofreci una nueva oportunidad para la diversificacin biolgica, as como enormes cambios en la naturaleza de las interacciones qumicas entre las rocas, arena, arcilla y de otros sustratos geolgicos, y la atmsfera, los ocanos y otras aguas superficiales. A pesar del reciclado natural de la materia orgnica, la vida se haba mantenido energticamente limitada hasta la amplia disponibilidad de oxgeno. Este avance en la evolucin del metabolismo aument en gran medida el suministro de energa para los organismos vivos, produciendo un impacto ambiental global (tomado de Wikipedia enciclopedia libre). Evidencias: Las evidencias que sostienen que apoyan esta modelo de evolucin atmosfrica son biolgicas yestratigrficas. a) Biolgicas: Las rocas sedimentarias mas viejas que contiene carbono: Posibles algas fsiles 2.6x109 aos (Precmbrico Medio). Plantas primitivas: Algas filamentosas verde-azules. Las cianobacterias o cianofceas son organismos microscpicos con caractersticas de bacterias pero que pueden realizar fotosntesis igual que los vegetales y habitan en los cuerpos de agua dulce y tambin marinas. Se las denomina algas verde-azules o simplemente


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azules. Son organismos que presentan una amplia distribucin. Son muy importantes en el sistema litoral; en la vegetacin terrestre cumplen un activo rol en regiones hmedas; colonizan ambientes donde pocos organismos llegan: aguas termales, hielo antrtico, torrentes, suelos semiridos, etc. La mayora de las especies que se hallan suspendidas en las masas de agua o sea planctnicas contienen aerotopos o vesculas de gas, que controlan la flotabilidad. Esto les permite acumularse y formar floraciones sobre la superficie del agua, dando muchas veces un color verde intenso.

Estromatolitos. Las primeras estructuras biognicas (estromatolitos) han sido encontradas en Australia, en Pilbara Shield , y han sido interpretadas como debidas a algas o bacterias. De edad ms antigua se encuentran compuestos orgnicos e incluso aminocidos (fsiles qumicos). Los estromatolitos suponen los indicadores de vida ms importantes del Proterozoico. Son estructuras generadas por comunidades bacterianas en las que predominan cianobacterias, las cuales generan un gel que les protege de radiaciones ultravioletas y contaminacin ambiental; cuando el sedimento que cae sobre la colonia se queda pegado al gel y les impide captar la luz, la comunidad se desplaza hacia un "piso" superior, por lo que los estromatolitos tienen una estructura en capas. Los primeros estromatolitos tienen una antigedad de casi 3.500 millones de aos (Grupo Warrawoona, en Australia Occidental), y llegan a ser abundantes con el desarrollo progresivo de plataformas continentales. Estas estructuras son muy comunes durante el resto de Proterozoico, hasta el principio del Fanerozoico, cuando se diversifican los animales, sobre todo herbvoros, que llegan a inhibir el desarrollo de estromatolitos. En la actualidad slo existen estromatolitos en unos pocos ambientes restringidos, como lagoons salinos que impiden la vida de herbvoros. El lugar ms famoso en Shark Bay en Australia

Estromatolitos

b) Estratigrficas: Formaciones bandeadas de hierro (solo presentan edades entre 1.2 2.0x109 aos, no existen mas jovenes) Las Formaciones bandeadas de hierro, corresponden a alternancias a nivel de milmetros y centmetros de xidos de hierro con jaspes (xido de silicio). Llegan a tener decenas de metros de espesor, y contienen xidos e hidrxidos de hierro: hematita en los que no han sido afectados por metamorfismo regional, y magnetita en los que s han sufrido este proceso (la mayor parte).


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El origen de estos yacimientos tipo formacin bandeada de hierro se ha relacionado con el cambio de composicin de la atmsfera terrestre, originalmente sta no contena oxgeno, siendo por tanto de carcter reductor. En estas condiciones, el hierro presente en las rocas era fcilmente puesto en disolucin en forma de Fe2+, altamente soluble. De esta forma, los ocanos terrestres llegaran a contener grandes cantidades de hierro en disolucin. Con la aparicin de la vida, las bacterias primitivas comenzaran a generar oxgeno como consecuencia de su metabolismo fotosinttico, consumiendo CO2 y agua para producir oxgeno. La concentracin del oxgeno ira aumentando, y dio origen a la posibilidad de oxidar al hierro disuelto en los ocanos, dando origen a xidos e hidrxidos (hematita-goethita) que precipitaran junto con la slice de manera estacional para dar estas Formaciones. Actualmente este tipo de formaciones son la fuente ms importante del hierro. Casi 90% de la produccin provienen de este tipo de yacimiento.

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(1): Iones de Fe producto de meteorizacin en la superficie terrestre (2): O2 producto de fotosntesis de algas verde azules en el cuerpo de agua. (3): Formacin de xido de Fe que se hunde hasta el fondo formando capas ricas en Fe y pobres en Fe de manera estacional. (4): Formacin bandeada de hierro, con capas ricas en xidos de Fe y capas ricas en slice.

Formaciones bandeadas de hierro (se les conoce tambin con el nombre de Itabiritas)


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Capas rojas Continentales o Red Beds: Depsitos sedimentarios silisiclsticos continentales (coloreadas de rojo por la presencia de hematita no se consiguen mas viejos que ~2.3*109 aos) El O2 liberado se gasta para oxidar sustancias reducidas de la corteza terrestre. Prueba de ello son la formacin de capas rojas de origen continental. Una vez que el O2 Usado


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PERDIDAS ATMOSFRICAS DURANTE EL TIEMPO GEOLGICO FSICAS: Difusin de H2 y He hacia el espacio QUMICAS:

Prdida de oxgeno por proceso de oxidacin: (Los gases volcnicos son grandes consumidores de Oxgeno)

3O2 + 4FeO 2Fe2O3 2O2 + S= (SO4)= O2 + Mn+2 MnO2 O2 + 2H2 2H2O

Prdida de CO2 por: Formacin de petrleo, carbn y carbono (producto de degradacin de organismos) diseminado en los sedimentos y rocas sedimentarias.

ADICIONES ATMOSFRICAS DURANTE EL TIEMPO GEOLGICO Desprendimiento de gases por cristalizacin magmtica:

H2Ovapor > CO2 >>> HCl, HF, H2S, SO2 Disociacin fotoqumica de vapor de agua:

2H2O + hv ==> O2 + 2H2 Fotosntesis:

nCO2 + nH2O (CH2O)n + nO2 Desintegracin Radioactiva:

92U238 ==> 82Pb206 + 8(2He4)

90Th232 ==> 82Pb208 + 6(2He4)

19K40 ==> 18Ar40 +


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El ozono absorbe la radiacin solar ultravioleta en las longitudes de onda entre 290 nm y 320 nm. Esta radiacin es nociva para la vida debido a que puede ser absorbida por los cidos nucleicos de las clulas.

Los Clorofluorocarbonos El clorofluorocarburo, clorofluorocarbono o clorofluorocarbonados (denominados tambin CFC) son los derivados de los hidrocarburos saturados obtenidos mediante la sustitucin de tomos de hidrgeno por tomos de flor y/o cloro principalmente. Debido a su alta estabilidad fsico-qumica y su nula toxicidad han sido muy usados como lquidos refrigerantes, agentes extintores y propelentes para aerosoles, tambin estn presentes en aislantes trmicos Fueron introducidos a principios de la dcada de los aos 1930 por ingenieros de General Motors, para sustituir a materiales peligrosos como el dixido de azufre y el amoniaco.


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Los CFC poseen una capacidad de supervivencia en la atmsfera, de 50 a 100 aos. Con el correr de los aos alcanzan la estratosfera donde son disociados por la radiacin ultravioleta, liberando el cloro de su composicin y dando comienzo al proceso de destruccin del ozono. Hoy se ha demostrado que la aparicin del agujero de ozono, a comienzos de la primavera austral, sobre la Antrtida est relacionado con la fotoqumica de los Clorofluorocarbonos(CFCs), componentes qumicos presentes en diversos productos comerciales como el fren, aerosoles, pinturas, etc.

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