Química atmosférica
La química atmosférica es una rama de la ciencia atmosférica en la que se estudia la química de la atmósfera terrestre y la de otros planetas. Es un enfoque multidisciplinario de investigación y se basa en la química ambiental, la física, la meteorología, el modelado por computadora, la oceanografía, la geología y la vulcanología y otras disciplinas. La investigación está cada vez más conectada con otras áreas de estudio como la climatología.
La composición y química de la atmósfera terrestre es importante por varias razones, pero principalmente por las interacciones entre la atmósfera y los organismos vivos. La composición de la atmósfera terrestre cambia como resultado de procesos naturales como las emisiones de volcanes, los rayos y el bombardeo de partículas solares de la corona. También ha sido modificado por la actividad humana y algunos de estos cambios son perjudiciales para la salud humana, los cultivos y los ecosistemas. Los ejemplos de problemas que han sido abordados por la química atmosférica incluyen la lluvia ácida, el agotamiento del ozono, el smog fotoquímico, los gases de efecto invernadero y el calentamiento global. Los químicos atmosféricos buscan comprender las causas de estos problemas y, al obtener una comprensión teórica de ellos, permitir que se prueben las posibles soluciones y que se evalúen los efectos de los cambios en la política gubernamental.
Composición atmosférica
| Composición media de la atmósfera seca (fracciones molares) | ||
|---|---|---|
| Gas | por la NASA | Aire limpio y seco cerca del nivel del mar(norma ISO 2533 - 1975) |
| Nitrógeno, N 2 | 78.084% | 78.084% |
| Oxígeno, O 2 | 20.946% | 20.946% |
| Constituyentes menores (fracciones molares en ppm) | ||
| Argón, Ar | 9340 | 9340 |
| Dióxido de carbono* , CO2 | 400 | 314 |
| neón, ne | 18.18 | 18.18 |
| helio, el | 5.24 | 5.24 |
| Metano, CH 4 | 1.7 | 2.0 |
| Kriptón, Kr | 1.14 | 1.14 |
| Hidrógeno, H 2 | 0,55 | 0.5 |
| Óxido nitroso, N 2 O | 0.5 | 0.5 |
| Xenón, Xe | 0.09 | 0.087 |
| Dióxido de nitrógeno, NO 2 | 0.02 | hasta 0,02 |
| Ozono*, O 3, en verano | hasta 0,07 | |
| Ozono*, O 3, en invierno | hasta 0,02 | |
| Dióxido de azufre*, SO 2 | hasta 1 | |
| Yodo*, I 2 | 0.01 | |
| Agua | ||
| Vapor de agua* | Altamente variable (alrededor de 0 a 3%);normalmente constituye alrededor del 1% | |
| notas | ||
| La masa molecular media del aire seco es 28,97 g/mol. *El contenido del gas puede sufrir variaciones significativas de vez en cuando o de un lugar a otro. La concentración de CO 2 y CH 4 varía según la estación y el lugar. El CO 2 aquí es de 1975, pero ha ido aumentando entre 2 y 3 ppm al año (ver Dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra). |
Composición de gases traza
Además de los componentes más importantes enumerados anteriormente, la atmósfera de la Tierra también tiene muchas especies de gases traza que varían significativamente según las fuentes y los sumideros cercanos. Estos gases traza pueden incluir compuestos como CFC/HCFC que son particularmente dañinos para la capa de ozono y H2S que tiene un olor fétido característico de huevos podridos y se puede oler en concentraciones tan bajas como 0.47 ppb. Algunas cantidades aproximadas cerca de la superficie de algunos gases adicionales se enumeran a continuación. Además de los gases, la atmósfera contiene partículas en forma de aerosoles, que incluyen, por ejemplo, gotitas, cristales de hielo, bacterias y polvo.
| Composición (ppt por volumen a menos que se indique lo contrario) | ||
|---|---|---|
| Gas | Limpia continental, Seinfeld & Pandis (2016) | Simpson et al. (2010) |
| Monóxido de carbono, CO | 40-200 partes por billón | 97 partes por billón |
| Óxido nítrico, NO | dieciséis | |
| Etano, C 2 H 6 | 781 | |
| Propano, C 3 H 8 | 200 | |
| Isopreno, C 5 H 8 | 311 | |
| Benceno, C 6 H 6 | 11 | |
| Metanol, CH3OH | 1967 | |
| Etanol, C 2 H 5 OH | 75 | |
| Triclorofluorometano, CCl 3 F | 237 | 252.7 |
| Diclorodifluorometano, CCl 2 F 2 | 530 | 532.3 |
| Clorometano, CH 3 Cl | 503 | |
| Bromometano, CH 3 Br | 9–10 | 7.7 |
| Yodometano, CH 3 I | 0.36 | |
| Sulfuro de carbonilo, OCS | 510 | 413 |
| Dióxido de azufre, SO 2 | 70–200 | 102 |
| Sulfuro de hidrógeno, H 2 S | 15–340 | |
| Disulfuro de carbono, CS 2 | 15–45 | |
| Formaldehído, H2CO | 9,1 partes por billón | |
| Acetileno, C 2 H 2 | 8,6 partes por billón | |
| Eteno, C 2 H 4 | 11,2 partes por billón | 20 |
| Hexafluoruro de azufre, SF 6 | 7.3 | |
| Tetrafluoruro de carbono, CF 4 | 79 | |
| Mercurio gaseoso total, Hg | 0.209 |
Historia
Los antiguos griegos consideraban el aire como uno de los cuatro elementos. Los primeros estudios científicos de la composición atmosférica comenzaron en el siglo XVIII, cuando químicos como Joseph Priestley, Antoine Lavoisier y Henry Cavendish realizaron las primeras mediciones de la composición de la atmósfera.
A finales del siglo XIX y principios del XX, el interés se desplazó hacia los constituyentes traza con concentraciones muy pequeñas. Un descubrimiento particularmente importante para la química atmosférica fue el descubrimiento del ozono por Christian Friedrich Schönbein en 1840.
En el siglo XX, la ciencia atmosférica pasó del estudio de la composición del aire a la consideración de cómo las concentraciones de gases traza en la atmósfera han cambiado con el tiempo y los procesos químicos que crean y destruyen compuestos en el aire. Dos ejemplos particularmente importantes de esto fueron la explicación de Sydney Chapman y Gordon Dobson sobre cómo se crea y mantiene la capa de ozono, y la explicación del smog fotoquímico de Arie Jan Haagen-Smit. Otros estudios sobre cuestiones relacionadas con el ozono llevaron al Premio Nobel de Química de 1995, compartido entre Paul Crutzen, Mario Molina y Frank Sherwood Rowland.
En el siglo XXI, el enfoque ahora está cambiando nuevamente. La química atmosférica se estudia cada vez más como una parte del sistema de la Tierra. En lugar de concentrarse en la química atmosférica de forma aislada, ahora se centra en verla como una parte de un sistema único con el resto de la atmósfera, la biosfera y la geosfera. Un impulsor especialmente importante para esto son los vínculos entre la química y el clima, como los efectos del cambio climático en la recuperación del agujero de ozono y viceversa, pero también la interacción de la composición de la atmósfera con los océanos y los ecosistemas terrestres.
Dióxido de carbono en la atmósfera terrestre si no se absorbe la
mitad de las emisiones antropogénicas de CO
2 (simulación de la NASA; 9 de noviembre de 2015)
Dióxido de nitrógeno 2014: niveles globales de calidad del aire(publicado el 14 de diciembre de 2015)
Metodología
Las observaciones, las mediciones de laboratorio y el modelado son los tres elementos centrales de la química atmosférica. El progreso en la química atmosférica a menudo está impulsado por las interacciones entre estos componentes y forman un todo integrado. Por ejemplo, las observaciones pueden decirnos que existe más cantidad de un compuesto químico de lo que se creía posible. Esto estimulará nuevos modelos y estudios de laboratorio que aumentarán nuestra comprensión científica hasta el punto en que las observaciones puedan explicarse.
Observación
Las observaciones de la química atmosférica son esenciales para nuestra comprensión. Las observaciones de rutina de la composición química nos informan sobre los cambios en la composición atmosférica a lo largo del tiempo. Un ejemplo importante de esto es la Curva de Keeling, una serie de mediciones desde 1958 hasta la actualidad que muestran un aumento constante en la concentración de dióxido de carbono (consulte también las mediciones en curso de CO 2 atmosférico).). Las observaciones de la química atmosférica se realizan en observatorios como el de Mauna Loa y en plataformas móviles como aeronaves (por ejemplo, la Instalación para Mediciones Atmosféricas Aerotransportadas del Reino Unido), barcos y globos. Las observaciones de la composición atmosférica se realizan cada vez más mediante satélites con instrumentos importantes como GOME y MOPITT que brindan una imagen global de la contaminación del aire y la química. Las observaciones de superficie tienen la ventaja de que proporcionan registros a largo plazo con una alta resolución de tiempo, pero están limitadas en el espacio vertical y horizontal desde el que proporcionan observaciones. Algunos instrumentos de superficie, como LIDAR, pueden proporcionar perfiles de concentración de compuestos químicos y aerosoles, pero aún están restringidos en la región horizontal que pueden cubrir. Muchas observaciones están disponibles en línea en las bases de datos observacionales de química atmosférica.
Estudios de laboratorio
Las mediciones realizadas en el laboratorio son esenciales para nuestra comprensión de las fuentes y sumideros de contaminantes y compuestos naturales. Estos experimentos se realizan en ambientes controlados que permiten la evaluación individual de reacciones químicas específicas o la evaluación de propiedades de un componente atmosférico particular. Los tipos de análisis que son de interés incluyen tanto los de las reacciones en fase gaseosa como las reacciones heterogéneas que son relevantes para la formación y el crecimiento de aerosoles. También es de gran importancia el estudio de la fotoquímica atmosférica que cuantifica la velocidad a la que la luz solar divide las moléculas y cuáles son los productos resultantes. Además, también se pueden obtener datos termodinámicos como los coeficientes de la ley de Henry.
Modelado
Para sintetizar y probar la comprensión teórica de la química atmosférica, se utilizan modelos informáticos (como los modelos de transporte químico). Los modelos numéricos resuelven las ecuaciones diferenciales que rigen las concentraciones de sustancias químicas en la atmósfera. Pueden ser muy simples o muy complicados. Una compensación común en los modelos numéricos es entre el número de compuestos químicos y reacciones químicas modeladas frente a la representación del transporte y la mezcla en la atmósfera. Por ejemplo, un modelo de caja podría incluir cientos o incluso miles de reacciones químicas, pero solo tendrá una representación muy cruda de la mezcla en la atmósfera. Por el contrario, los modelos 3D representan muchos de los procesos físicos de la atmósfera pero, debido a las limitaciones de los recursos informáticos, tendrán muchas menos reacciones y compuestos químicos. Los modelos se pueden utilizar para interpretar observaciones, probar la comprensión de reacciones químicas y predecir futuras concentraciones de compuestos químicos en la atmósfera. Una tendencia actual importante es que los módulos de química atmosférica se conviertan en una parte de los modelos del sistema terrestre en los que se puedan estudiar los vínculos entre el clima, la composición atmosférica y la biosfera.
Algunos modelos están construidos por generadores de códigos automáticos (por ejemplo, Autochem o Kinetic PreProcessor). En este enfoque, se elige un conjunto de constituyentes y el generador de código automático seleccionará las reacciones que involucran esos constituyentes de un conjunto de bases de datos de reacciones. Una vez elegidas las reacciones, se pueden construir automáticamente las ecuaciones diferenciales ordinarias que describen su evolución en el tiempo.