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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
    UNIVERSIDADE 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.
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

     Átomo de           Molécula de       Molécula de
    oxigênio (O)       oxigênio (O2)      ozônio (O3)
IMPORTÂNCIA – O3 ESTRATOSFÉRICO


• 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
UNIDADE DOBSON (UD)




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 O por centímetro quadrado
Equipamentos de medida
ESPECTROFOTÔMETRO DOBSON
ESPECTROFOTÔMETRO BREWER
SATÉLITES
• Ozone Monitoring Instrument (OMI)
A partir de Julho – 2004
• Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS)
01/11/1978 – 31/12/2005
Nimbus-7 – 01/11/1978 – 06/05/1993
Meteor-3 – 22/08/1991 – 24/11/1994
Earth Probe – 25/07/1996 – 31/12/2005
• Solar Backscatter UltraViolet (SBUV)
A partir de 1978
Nimbus-7 -- 1978 - 1990
NOAA-9a -- 1985 - 1989
NOAA-11 -- 1988 - 2001
NOAA-9d -- 1992 - 1998
NOAA-16 -- 2000 - 2007
NOAA-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
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 → O 3 + M           (2)
                  O3 + hv → O2 + O               (3)
                  O 3 + O → O 2 + 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
BURACO NA CAMADA DE OZÔNIO

• 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.
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 + HOCl
            HCl + 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 + M
                       SO3 + 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.
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Química da Estratosfera e o buraco na camada de ozônio

  • 1. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS FACULDADE DE METEOROLOGIA QUÍMICA DA ESTRATOSFERA E O BURACO NA CAMADA DE OZÔNIO Por Ericka Voss Chagas Mariano Dezembro – 2012
  • 2. 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.
  • 3. 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 Átomo de Molécula de Molécula de oxigênio (O) oxigênio (O2) ozônio (O3)
  • 4.
  • 5. IMPORTÂNCIA – O3 ESTRATOSFÉRICO • 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
  • 6.
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  • 8. UNIDADE DOBSON (UD) 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 O por centímetro quadrado
  • 12. SATÉLITES • Ozone Monitoring Instrument (OMI) A partir de Julho – 2004 • Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) 01/11/1978 – 31/12/2005 Nimbus-7 – 01/11/1978 – 06/05/1993 Meteor-3 – 22/08/1991 – 24/11/1994 Earth Probe – 25/07/1996 – 31/12/2005 • Solar Backscatter UltraViolet (SBUV) A partir de 1978 Nimbus-7 -- 1978 - 1990 NOAA-9a -- 1985 - 1989 NOAA-11 -- 1988 - 2001 NOAA-9d -- 1992 - 1998 NOAA-16 -- 2000 - 2007 NOAA-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
  • 13. Produção de ozônio estratosférico Reação geral: 3 O2 → 2 O3
  • 14. 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 → O 3 + M (2) O3 + hv → O2 + O (3) O 3 + O → O 2 + 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.
  • 15. • 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
  • 16. 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
  • 17.
  • 18. BURACO NA CAMADA DE OZÔNIO • 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.
  • 19. 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 + HOCl HCl + HOCl → H2O + Cl2 N2O5 + HCl → HNO3 + ClONO N2O5 + H2O → 2 HNO3
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  • 27. 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.
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  • 31. 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 + M SO3 + H2O → H2SO4
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  • 33. Aerossóis de sulfato • Efeito direto: absorção ou reflexão de radiação • Efeito indireto: formação de nuvens de alta refletividade
  • 34. 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.
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