Chimia atmosferei

Chimia atmosferei

1.1. Structura atmosferei

Denumirea. Termen de origine greaca: athmos - aer si spherein - sfera, invelis.i

Atmosfera este invelisul gazos format din aerul care inconjoara planeta si care participa odata cu Pamantul la miscarea de rotatie si revolutie a acestuia. Atmosfera este invelisul invizibil. Asupra acestui invelis actioneaza forta de actractie gravitationala a Pamantului care scade in raport cu patratul distantei (d²) si forta centrifuga generata de miscarea de rotatie a globului care creste proportional cu departarea de axa de rotatie tinzind sa slabeasca forta de atractie. Limita unde cele doua forte se echilibreaza ar constitui, in mod teoretic, limita superioara a atmosferei. Aceasta se situeaza la 28000 km deasupra polilor pamantului si la 42000 km deasupra ecuatorului . In realitate insa moleculele atomii si ionii gazelor din straturile periferice ale atmosferei se deplaseaza foarte rapid atigand viteza critica de 11,2 km/s, viteza la care particulele scapa din campul de atractie al pamantului, parasesc atmosfera si patrund in spatial interplanetar, la o limita mult inferioara celei teoretice.

Atmosfera - este considerata ca avand o grosime de aprox 100 km (extinsa in extremis pana la ~ 400 km) de la suprafata scoartei terestre (raza pamantului = 6400 km), distanta pana la care se concentreaza practic intreaga masa a atmosferei. Inaltimea atmosferei nu poate fi stabilita cu exactitate, densitatea ei scazand progesiv cu inaltimea. Deci, nu exista o limita neta intre atmosfera si spatiu planetar.

Masa atmosferei este de 4,9x1018 Kg (1/10⁶ din masa terrei

Rolul atmosferei este foarte important pentru ca:

- este unul dintre elementele vitale (apa, aer, hrana/energie) pentru existenta omului; fara aer omul poate supravietui doar cateva zeci de secunde;

- este un invelis protector fata de efectul daunator al razelor solare (in absenta atmosferei ar disparea viata de pe Pamant; ziua temperatura ar fi pe Terra de +150°C, iar noaptea de -100°C).

Forma atmosferei este asemanatoare cu cea a Terrei, insa ea este mai turtita la cei doi poli si mai bombata la Ecuator (datorita fortei de atractie gravitationala si compozitiei gazoase).

Compozitia atmosferei: aerul este un amestec de mai multe gaze, vapori de apa 6 si microorganisme: azot (N2)=78,08 % ; oxigen (O2)=20,95 %; alte gaze = 0,97 % [dioxid de carbon (CO2),ozon, heliu, cripton, argon, freon CCl₂FCClF_2.

Culoarea atmosferei - Aerul este incolor (transparent), inodor, insipid - Culoarea atmosferei este data de felul in care ea primeste si raspandeste radiatiile solare din domeniul vizibil (spectrul ROGVAIV): albastra, galbena, portocalie, rosie, violet, cenusie.Acest fenomen depinde de lungimea de unda a radiatiei, de compozitia atmosferei si de unghiul de incidenta al radiatiei in raport cu atmosfera.

Atmosfera este alcatuita din paturi de aer concentrice mai dese catre suprafata pamantului si mai rarefiate la altitudine. Astfel 50% din masa atmosferei este concentrata sub inaltimea de 5 km, iar pana la inaltimea de 29 Km de la suprafata pamantului este concentrata aproape toata atmosfera (97%), datorita fortei gravitationale.

Grosimea atmosferei este diferita in jurul pamantului, grosimi mai mari la ecuator si mai turtita la poli din cauza miscarii de rotatie. Forma atmosferei este similara cu cea a pamantului (eliposid de rotatie), insa turtirea ei la pol si bombarea ei la ecuator este mai accentuata. Atractia exercitata de soare si luna determina in masa admosferei de flux si reflux (maree atmosferica), schimband periodic dimensiunile acestora. Diurn si sezonier, dimensiunile si forma atmosferei sufera modificari in functie de incalzirea si racirea diferentiata a acestuia.

Atmosfera se defineste prin: Structura , Compozitie , Presiune , Temperatura , Umiditate.

Structura atmosferei

Atmosfera este alcatuita din patru regiuni (Fig 1) : Troposfera, Stratosfera, Mezosfera si Termosfera (Ionosfera). Intre acestea se gasesc zone de trecere : tropopauza (de 1-2 Km intre troposfera si stratosfera), stratopauza, mezopauza .

Fig. 2. Structura verticala a atmosferei.

Observatii (din Figura 2):

Intre straturile atmosferei se gasesc zone de trecere : tropopauza (de 1-2 Km intre troposfera si stratosfera), stratopauza, mezopauza;

Troposfera concentreaza 90% din toata cantitatea de aer, iar Troposfera+Stratosfera (pana la ~36km) concentreaza 99% din toata cantitaea de aer;

Troposfera contine inteaga cantitate de apa din atmosfera si este stratul in care se realizeaza circuitul apei in natura (evaporare-depalasare-condesare-ploaie) care conduce la formarea climei pamanutului, este o zona foarte turbulenta.

Toposfera este sediul fenomenelor fizice si optice: Fulger, Tunet si Curcubeu;

Mezosfera este ultimul strat unde se mentine o compozitie "standard" a aerului, de aceea Tropo-, Strato- si Mezosfera formeaza zona din atmosfera numita "HOMOSFERA; de la aceasta limita in sus se vorbeste despre "HETEROSFERA", deoarece compozitia chimica a atmosferei se modifica foarte mult si nu se mai vorbeste practic despre aer;

Ozonosfera este patura de ozon care absoarbe radiatiile ultraviolete ucigatoare ale Soarelui;

Ionosfera este sediul formarii aurorelor polare (boreale si australe), aprinderea si arderea meteoritilor;

Se considera si un a -V-lea strat al atmosferei, Exosfera:

- se extinde dincolo de 1000 km

este extrem de rarefiata;

- contine doar particule de hidrogen.

I. Troposfera :

Se intinde de la suprafata pamantului si pana la o altitudine cuprinsa intre 8-15 km; la poli grosimea troposferei este de 9 Km , la latitudinea de 45s este de 11-12 Km , iar la ecuator este de 16-18 Km ;

Concentreaza 90% din toata cantitatea de aer;

Are o incalzire indirecta, in sensul ca temperatura ei este datorata in mica masura absorbtiei directe de la soare si in cea mai mare masura absorbtiei indirecte a radiatiei IR emisa de Pamant ;

Temperatura ei scade puternic cu cresterea altitudinii;

Este zona in care se gasesc vaporii de apa si este sediul fenomenelor meteorologice care asigura circuitul apei in natura si afecteaza clima (zona f. turbulenta);

Este sediul fenomenelor fizice si optice: Fulger, Tunet si Curcubeu;

La partea inferioara troposfera se intrepatrunde cu celelalte invelisuri ale a globului: hidrosfera, litosfera si biosfera.

II. Stratosfera :

Se intinde intre aprox 15-50 km ;

Temperatura creste cu cresterea altitudinii (atinge un max la 50km), datorita absorbtiei de radiatii UV de catre O₂ cu formare de O3 ;

zona cuprinsa intre 25-50km unde se formeaza cea mai insemnata cantitate de ozon, se numeste Ozonosfera ; patura de ozon absoarbe radiatiile ultraviolete ucigatoare ale Soarelui

Absenta norilor, turbulenta f. redusa; prezenta apei este neinsemnata, iar dupa 25 km concentratia CO₂ scade spre zero.

III. Mezosfera :

Se intinde intre aprox. 45-50 si 85-100 km ;

Este ultimul strat unde se mentine aceeasi compozitie a aerului;

Temperatura scade puternic cu altitudinea, min. la 85 km.

IV. Ionosfera /Termosfera:

- se extinde intre 80/100 - 1000 km

Este ultimul strat al atmosferei, peste 85-100 km ;

Temperatura creste puternic cu altitudinea (max 1500K), datorita degajarii de caldura din procesele de ionizare a gazelor sub actiunea radiatiilor solare UV si raze X ;

Practic, este constituita dintr-o plasma de electroni si ioni (identificati : NO⁺, NO^2+, O^2+, O⁺, N⁺, He⁺, No^2-, NO^3-);

contine particule de azot si oxigen puternic electrizate de radiatiile solare 

- este sediul formarii aurorelor polare (boreale si australe), aprinderea si arderea meteoritilor.

In conditile de mare rarefiere a gazelor din termosfera se produce o intensa ionizare a particulelor ( formand ioni si electroni liberi ) , strat numit ionosfera.

V.   Exosfera:

- se extinde dincolo de 1000 km

este extrem de rarefiata;

- contine particule de hidrogen

Compozitia chimica a atmosferei (Tabel 1).

Formarea atmosferei terestre La inceput, in atmosfera timpurie, nu a existat oxigen;

Gazele rezultate din emanatiile vulcanice produse la formarea planetei au fost : CO₂, N₂, CH₄, H₂O, CO, vapori;

La racirea planetei, vaporii de H₂O au condensat formand lacurile si oceanele;

Ulterior, au aparut aminoacizii si proteinele si mai tarziu bacteriile, care au condus, prin interventia lor in ciclul natural al azotului, la aparitia si evolutia plantelor primitive.

In 1953, chimistul american Stanley Miller a validat experimental aceasta supozitie, amestecand, intr-un balon de sticla speciala supraincalzita, apa, amoniac, hidrogen si metan. In prezenta unui arc electric, s-au format molecule organice din clasa aminoacizilor care stau la baza formarii proteinelor. Recent, dezvoltandu-se acaesta metoda experimentala, s-au obtinut glucide, lipide, azotati si zaharuri.

Dezvoltarea lumii vegetale a condus la schimbarea compozitiei chimice a atmosferei: in urma procesului de fotosinteza s-a format O₂, permitand evolutia organismelor marine si, odata cu formarea stratului protector de ozon, aparitia animalelor terestre.

Tabel 1. Compozitia procentuala a atmosferei

* Se utilizeaza numai pentru elemente in urme..

Aceasta compozitie este specifica zonei inferioare a atmosferei. Pe verticala, compozitia se schimba, azotul si oxigenul fiind singurele elemente gazoase care exista pe toata inaltimea atmosferei. In partea inferioara, AZOTUL si OXIGENUL se gasesc in stare moleculara (N2 si O2), iar in partea superioara se gasesc in stare atomica.

AZOTUL este gazul cel mai raspandit si are rolul ecologic de neutralizare a puterii de oxidare a oxigenului.
OXIGENUL este elementul de baza in existenta vietii pe Pamant. El este element constituent al organismelor vii (plante, animale, bacterii aerobe), participa in toate procesele arderii si descompunerii substantelor organice. In straturile inalte ale atmosferei, oxigenul se gaseste sub forma de ozon.
OZONUL reprezinta starea alotropica a oxigenului. Concentratia de O₃ in atmosfera Pamantului s-a evaluat la 1X10^-6 % volumetrice. La sol, concentratia lui este extrem de scazuta.

Se formeaza :

- in straturile superioare ale atmosferei prin disocierea moleculelor de oxigen sub actiunea razelor ultraviolete ale Soarelui ;

- in straturile inferioare ale atmosferei se formeaza in urma descarcarilor electrice si prin oxidarea unor substante organice, in principal unele alge marine si rasina coniferelor. Aceasta explica prezenta aerului ozonificat in atmosfera padurilor de conifere (brad, molin, pin) sau pe malul marii.

In stratosfera stratul de ozon este cuprins intre 20-40 km. Rolul sau ecologic este de mare importanta, servind drept scut si calorifer.:

- este scut pentru radiatiile ucigatoare ale soarelui; el retine in paturile superioare ale atmosferei o mare parte din razele ultraviolete periculoase pentru organismele vii: plante, animale si bacterii si reflecta radiatiile cosmice. In ecosistemele Terrei, gratie stratului de ozon, razele ultraviolete nu ajung intr-o cantitate mai mare, a caror actiune ucigatoare asupra organismelor vii ar face imposibila viata.

- Functioneaza ca un calorifer datorita proprietatii de a fi mai usor incalzit de razele solare si de inmagazinare a caldurii. Variatiile de temperatura din stratosfera se explica prin variatia cantitativa a ozonului intre zi si noapte. Ozonul ia nastere numai ziua cand asupra oxigenului actioneaza razele ultraviolete, se incalzeste si inmagazineaza caldura. Noaptea, in absenta razelor solare, ozonul se imputineaza, iar temperatura scade. Sub aspect ecologic disparitia stratului de ozon ar face imposibila viata pe Pamant.
ARGONUL (0,93%), al treilea gaz atmosferic ca proportie, nu are un rol ecologic deosebit.
DIOXIDUL DE CARBON, in stratele inferioare ale atmosferei, se afla in concentratie de 0,03%. In jurul oraselor mari industrializate poate ajunge la 0,05-0,07%. Provine din arderea combustibililor, putrezirea plantelor, animalelor si bacteriilor moarte, eruptiile vulcanilor si respiratia vietuitoarelor. Cantitatea de CO2 variaza pe parcursul unei zile si pe anotimpuri. Este mai redus ziua decat noaptea, mai redus vara decat iarna, mai crescut primavara si toamna decat vara si iarna. In regimul termic al Pamantului, in conditiile de concentratii normale, dioxidul de carbon joaca un rol termoregulator. Slabeste radiatia terestra in timpul noptii. Face posibila mentinerea la suprafata Pamantului a unei temperaturi mai ridicate si cu variatii reduse de la zi la noapte si de la vara la iarna. In lipsa CO2 din atmosfera variatiile ar fi foarte mari. Rolul ecologic prin actiunea sa in regimul termic al Pamantului este benefic pentru biocenoze