Chimica dell atmosfera

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1 Chimica dell ambiente Corso di Laurea Specialistica in Chimica Analitica Chimica dell atmosfera Dott.ssa Anna Laura Capriotti VEC stanza 126

2 Atmosfera Dal greco athmos vapore, gas e sphaira sfera Involucro gassoso che avvolge i corpi Involucro gassoso che avvolge i corpi celesti, trattenuto dalla forza di gravità

3 L atmosfera alimenta la vita È fonte di: CO 2 O 2 N 2 È parte fondamentale del ciclo idrologico

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5 L atmosfera protegge la vita Filtra le radiazioni cosmiche e le radiazioni solari altamente energetiche Stabilizza la temperatura sulla Terra È trasparente alla radiazione necessaria alla vita

6 Atmosfera, luogo di scarico a basso costo Aumento della concentrazione di componenti atmosferiche tossiche e potenzialmente dannose Introduzione di sostanze antropiche

7 Evoluzione dell atmosfera 3, anni fa atmosfera riducente CH 4 NH 3 H 2 O (vap) H 2 Fotosintesi

8 Evoluzione dell atmosfera O 2 tossico per le prime forme di vita Sviluppo di nuovi organismi in grado di usare materiale organico per produrre energia mediante la respirazione Formazione di O 3 Uscita organismi dall acqua Atmosfera ossidante

9 Composizione dell atmosfera Componenti principali N 2 78,08% O 2 20,95% Componenti minori Ar 0,934% CO 2 0,035% H 2 O (vap) 0,1-5% (1-3%) Componenti in tracce CH 4, CO, NO X, HNO 3, NH 3, H 2, H 2 O 2, OH, SO 2

10 AZOTO in Atmosfera N % in volume Essenziale per la sintesi di biomolecole. N 2 atmosferico viene fissato da parte di microorganismi. Per reazione fotochimica non si dissocia facilmente ( da O2), ma a >100 Km con radiazioni UV avviene la fotodissociazione Altre fonti di N atomico:

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14 Ossigeno atmosferico CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O (combustione dei combustibili fossili) {CH 2 O} + O 2 CO 2 + H 2 O (respirazione e degradazione materiale organico) 4FeO + O 2 2Fe 2 O 3 (processi ossidativi - erosione) 2CO + O 2 2CO 2 (processi ossidativi - emissioni vulcaniche) CO 2 + H 2 O + hv {CH 2 O} + O 2

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16 Acqua vapore nell atmosfera Umidità specifica (g acqua vapore/kg aria umida) Umidità assoluta (g/m 3 ) Umidità relativa (%):rapporto tra la quantità di acqua vapore presente nell aria a una data temperatura e la quantità massima contenibile alla stessa temepratura Punto di rugiada: temperatura al di sotto della quale avviene la condensazione dell acqua vapore.concentrazione massima tollerata di vapore d acqua oltre la quale comincia la condensazione.

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18 Atmosfera Caratteristiche fisiche Massa 5, tonn 1 milionesimo della massa della Terra 99% compresa entro 30 Km Densità diminuisce con l altitudine Rarefazione aumenta con l altitudine Cammino libero medio aumenta con l altitudine Livello del mare 10-6 cm Limite superiore atmosfera cm

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20 Atmosfera Caratteristiche fisiche Volume 50% entro 5,5 Km 75% entro Km <1% dopo 40 Km Temperatura C 1700 C Pressione(diminuisce con altitudine) 1 atm al livello del mare a a 100 Km slm.

21 P h = Pressione atmosferica P 0 e Mgh RT a temperatura costante in assenza di mescolamento RT = Mg 8,4 Km P dim di 1/e ogni 8,4 Km

22 Altitudine Stagione Latitudine Attività solare Variabilità atmosferica

23 Regioni dell atmosfera Omosfera 0 80 Km composizione omogenea Eterosfera Km specie frazionate in funzione del PM Esosfera 500 Km in poi sfuma nello spazio

24 Troposfera Stratosfera Mesosfera Termosfera Regioni dell atmosfera

25 STRATIFICAZIONE DELL ATMOSFERA secondo rapporto T/densità TROPOSFERA: Km; T arriva a 56 C; composizione omogenea per mescolamento aria (TROPOPAUSA): strato sopra la troposfera molto freddo. L H2OghiacciaenonfotodissociaperUVenonsi perde H2 STRATOSFERA:finoa50Km,latemperaturasialzaperla presenza dell ozono che assorbe UV(T=-2 C) MESOSFERA: Km, la temperatura scende perché non ci sono specie assorbenti(t=-92 C), alta energia TERMOSFERA: gas rarefatti assorbenti, alta E(l<200nm)

26 CIRCOLAZIONE D ARIA E TEMPERATURA Nella troposfera il mescolamento delle masse d aria rende omogenea la composizione. Normalmente le masse d aria fredde sono sopra a quelle calde, tranne che nei fenomeni di inversione termica in cui masse d aria calda circolano sopra quelle più fredde e questo determina una stagnazione degli inquinanti negli strati bassi. Nella stratosfera gli scarsi moti verticali determinano una netta stratificazione delle masse d aria. Caratteristica costante è l inversione termica per cui questa fascia è sempre più calda della troposfera. La causa è l assorbimento degli UV da parte di O3.

27 INFLUENZE CLIMATICHE sulla DISTRIBUZIONE degli INQUINANTI

28 h : 10/16 50 Km T: - 56 C - 2 C Stratosfera Chimica dell O 3 Aumento di T con h

29 h : Km T: -2 C - 92 C Mesosfera Diminuzione di T con h

30 Termosfera h : Km T: - 92 C 1200 C Assorbimento di radiazioni ionizzanti Aumento di T con h

31 Ionosfera Comprende termosfera e mesosfera Zona dell atmosfera in cui le radiazioni formano ioni Si alza di notte, si abbassa di giorno

32 Trasmissione onde radio

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34 Specie presenti in atmosfera ossidi inorganici (CO, CO 2, NO 2, SO 2 ) ossidanti (O 3 ) riducenti (CO, SO 2, H 2 S) specie organiche (CH 4, C n H (2n + 2), C n H 2n e Ar) acidi (H 2 SO 4 ) 2 4 basi (NH 3 ) sali (NH 4 HSO 4 ) specie fotochimiche attive (NO 2, CH 2 O) specie reattive instabili (NO 2*, HO ) particelle solide particelle liquide

35 Specie atmosferiche altamente reattive Molecole elettronicamente eccitate (NO 2* ) Ioni (O + ) Radicali liberi (HO )

36 Interazione radiazione-materia E = hv (h=6.626x10-34 J s) E 1 E 0 = hv Momento dipolo stato eccitato stato fondamentale Ecc. rotazionali: MW (λ, 10 6 nm) Ecc. vibrazionali: IR (λ, nm) Ecc. elettroniche: UV, vis (λ, nm)

37 Distribuzione delle forme di ossigeno Troposfera O 2 Stratosfera O 3 O 2 O * 2 O O * Mesosfera O 3 O 2 O * 2 O O * O + 2 Termosfera O 3 O 2 O * 2 O O * O 2+ O +

38 Formazione delle specie di ossigeno O 2 + hv O + O (λ < 242 nm) NO 2 + hv NO + O (λ, nm) O 3 + hv O * + O 2 (λ, 308 nm) O + O + O O 2 + O* O + hv O + (λ, UV) O + + O 2 O 2 + O 2 + hv O e (λ, nm ) N 2+ + O 2 N 2 + O 2 + O + O 2 + M O 3 + M

39 Fotochimica atmosferica M + hv M * (v, vis e UV) Stato fondamentale Stato di singoletto Stato di tripletto

40 Perdita di energia da specie eccitate Quencing fisico O 2* + M O 2 + M Dissociazione O 2* O + O Reazione diretta O 2* + O 3 2O 2 + O Luminescenza NO 2 * NO 2 + hν Trasferimento di energia intermolecolare O 2 * + Na O 2 + Na *

41 Perdita di energia da specie eccitate Trasferimento intramolecolare XY * XY Isomerizzazione spontanea Fotoionizzazione N 2* N e -

42 Fasce di Van Allen

43 Radicali R + N RN R + R RR Reattività Instabilità

44 Ciclo dell ossigeno