MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOUNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS

FACULDADE DE METEOROLOGIA

QUÍMICA DA ESTRATOSFERA E O BURACO NA CAMADA DE OZÔNIO

Por

Ericka Voss Chagas Mariano

Dezembro – 2012

INTRODUÇÃO

• Estratosfera – da tropopausa (~10km nos pólos, ~17km no equador) até cerca de 50km - varia com estações e condições meteorológicas

• Mudança abrupta na concentração de gases-traço do ar – diminuição do vapor d´água – aumento do O3.

• Pouca mistura vertical entre troposfera e estratosfera.

• Materiais que entram na estratosfera permanecem nesta camada por longos períodos de tempo.

Átomo de oxigênio (O)

Molécula de oxigênio (O2)

Molécula de ozônio (O3)

OZÔNIO

• Descoberto em 1839 – Schönbein

• 90% se encontra na estratosfera – de 10-16km a ~50km

• Na estratosfera – poucos milhares de moléculas de O3 por cada bilhão de moléculas de ar

• O3 bom x O3 ruim

• Forma um escudo protetor que reduz a intensidade de radiação UV que chega à Terra

• Determina o perfil vertical de temperatura na estratosfera – aquecimento resultante da absorção de UV

• Está envolvido em várias reações químicas na estratosfera

IMPORTÂNCIA – O3 ESTRATOSFÉRICO

1 UD – número de moléculas de O3 que seriam necessárias para criar uma

camada de O3 puro de 0,01 mm de espessura a uma temperatura de 0

graus Celsius e uma pressão de 1 atmosfera.

1 UD = 2,69 x 1016 moléculas de O3 por centímetro quadrado

UNIDADE DOBSON (UD)

Equipamentos de medida

ESPECTROFOTÔMETRO DOBSON

ESPECTROFOTÔMETRO BREWER

• Ozone Monitoring Instrument (OMI)A partir de Julho – 2004

• Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS)01/11/1978 – 31/12/2005Nimbus-7 – 01/11/1978 – 06/05/1993Meteor-3 – 22/08/1991 – 24/11/1994Earth Probe – 25/07/1996 – 31/12/2005

• Solar Backscatter UltraViolet (SBUV)A partir de 1978Nimbus-7 -- 1978 - 1990NOAA-9a -- 1985 - 1989NOAA-11 -- 1988 - 2001NOAA-9d -- 1992 - 1998NOAA-16 -- 2000 - 2007NOAA-17 -- 2003 - 2007

• Global Ozone Monitoring Experiment (GOME)A partir de 21/07/1995

• Global Ozone Monitoring Experiment 2 (GOME-2)A partir de outubro de 2006

SATÉLITES

Produção de ozônio estratosférico

Reação geral: 3 O2 → 2 O3

Mecanismo de Chapman

• 1930 - mecanismo químico simples para explicar a

concentração estacionária de O3

• Formação de O3 - λ<242nm dissocia oxigênio molecular,

que reage com O2 na presença de O2 ou N2 para formar O3.

O2 + hv → O + O (1)

O + O2 + M → O3 + M (2)

O3 + hv → O2 + O (3)

O3 + O → O2 + O2 (4)

• As reações de (1) a (4) são chamadas Reações de Chapman

• Reação (2) é a única que produz O3 na atmosfera –

molécula absorve radiação entre 240 e 320nm.

• Concentrações de O3 devem alcançar valores máximos em ~25km

• Produção de O3 é maior próxima ao equador e aumenta com o aumento da altitude, refletindo a dependência da variação latitudinal da intensidade solar e ângulo zenital - regiões de maior concentração não coincidem com as de maior razão de formação

• Tempo de vida do O3 estratosférico é maior do que o tempo necessário para que ocorra o transporte (do equador para os pólos ~ 3 a 4 meses)

• Reações superestimam concentrações de O3

Depleção do ozônio estratosférico

• A maioria das reações catalíticas para a remoção do O3 atmosférico são na forma:

X + O3 → XO + O2

XO + O → X + O2

O + O3 → 2O2

• Na estratosfera natural (sem poluição) as reações mais importantes são com H, OH, NO e Cl.

• Se as concentrações do catalisador X nestas reações aumentam por atividades antropogênicas, o balanço entre as fontes e sumidouros de O3 atmosférico serão perturbados e as concentrações do gás irão diminuir

• Descoberta do buraco de O3 na Antártica (anos 80) -

comunidade científica pensava compreender os processos físicos e fotoquímicos que controlam a produção e extinção

de O3 na atmosfera.

• Primeiros estudos sobre a depleção do O3 na Antártica -

duas características principais:

• Grandes perdas no O3 estratosférico observadas,

durante a primavera, entre os anos de 1974 a 1985;

• Comparações com medidas realizadas entre os anos 1950 e 1960 indicavam atenuação média de 300 para

200 UD de O3.

BURACO NA CAMADA DE OZÔNIO

METEOROLOGIA POLAR

• Inverno no HS – não há incidência de radiação solar – forte vento circumpolar se desenvolve da média para a baixa estratosfera – vórtice polar – isola o ar sobre a região polar

• Ar no vórtice é muito frio – formação de nuvens especiais a -80°C – Nuvens Polares Estratosféricas (PSCs) – formadas por ácido nítrico triidratado – PSCs são cruciais para a ocorrência de perda de O3

• Espécies que causam a depleção do O3 – se tornam mais ativas na superfície de PSCs.

• Reações mais comuns: HCl + ClONO2 → HNO3 + Cl2

ClONO2 + H2O → HNO3 + HOClHCl + HOCl → H2O + Cl2

N2O5 + HCl → HNO3 + ClONO N2O5 + H2O → 2 HNO3

http://www.ccpo.odu.edu/SEES/ozone/

A depleção do O3 ártico

• Episódios de depleção parcial do O3 ártico vêm sendo observados durante a primavera.

• Menos severo do que na Antártica: temperaturas estratosféricas não caem tão baixo nem durante tanto tempo; circulação de ar nas áreas circundantes não está tão limitada.

• PSCs se formam menos e duram menos tempo

• Condições estão mudando – depleção de O3 se acelerando na estratosfera inferior.

Alguns estudos no Brasil

ENXOFRE NA ESTRATOSFERA

• Aerossóis com raio ~0,1 a 2 μm têm concentração máxima em altitudes de ~17 a 20km

• Compostos de 75% de H2SO4 e ~25% de água - região de máxima

concentração de sulfato na baixa estratosfera é chamada camada estratosférica de aerossol, ou camada estratosférica de sulfato, ou ainda camada de Junge

• Fonte principal de SO2 para a estratosfera – erupções vulcânicas -

quando não há atividade vulcânica – COS

SO2 +OH + M → HOSO2 + M HOSO2 + O2 → HO2 + SO3

SO2 + O + M → SO3 + MSO3 + H2O → H2SO4

Aerossóis de sulfato• Efeito direto: absorção ou reflexão de radiação• Efeito indireto: formação de nuvens de alta refletividade

Forçante radiativa de emissões antropogênicas de enxofre (linha roxa), forçante antropogênica líquida (linha azul), estimativa linear da forçante antropogênica líquida (linha tracejada azul), forçante radiativa total (linha vermelha), forçante radiativa da insolação (linha laranja), e temperatura observada (preto). Fonte: adaptada de Kaufmann et al., 2011.

Obrigada!