Ozônio - Formação e Destruição - Meio Ambiente

Formação e Destruição

1. Estratosfera A estratosfera é a camada localizada logo acima da troposfera, se iniciando aproximadamente aos 15km de altitude e podendo chegar até aos 50km. A característica que define os limites da estratosfera é o seu comportamento relacionando altitude e temperatura: a temperatura aumenta à medida que a altitude aumenta. Inversão térmica dificulta a mistura vertical de ar na estratosfera. Os limites da estratosfera podem variar de acordo com a época do ano e a latitude. A camada de ozônio se concentra na parte inferior da estratosfera! (Maior concentração de O 3 ) 1

2. Variação com a altitude da concentração de ozônio (para regiões de latitude intermediária). Variação com a altitude e temperatura do ar, para diferentes regiões da atmosfera inferior. 2

3. Absorção de Luz por Moléculas A relação entre a absorção de luz solar (energia) e as moléculas presentes na atmosfera estão ligadas a diversos processos. As substâncias diferem na sua tendência de absorver a luz em um determinado comprimento de onda devido as diferenças dos níveis de energia dos seus elétrons. Portanto, cada elemento tem uma faixa ótima de absorção de acordo com o comprimento de onda da luz. 3

4. Espectro eletromagnético Regiões de grande interesse ambiental 4

5. Filtração do UV 5

6. Filtração do UV Luz UV com o comprimento de onda inferior a 220nm não atinge a superfície da Terra, pois é filtrada principalmente pelo O 2 acima da estratosfera e na estratosfera (com ajuda de outros componentes, como o N 2 ). O O 2 também auxilia na filtração na faixa de 220 a 240 nm , mas a porção de 220 a 320 nm é filtrada principalmente pelas moléculas de ozônio (O 3 ). O UV-C é totalmente absorvido pelo O 3 e pelo O 2 (200 a 280 nm ). O O 3 tem capacidade limitada de absorção na faixa de 290 a 320 nm , portanto, nem todo o UV-B é filtrado e parte dele chega à superfície da Terra (entre 10 e 30%, dependendo da latitude). Nenhum constituinte da atmosfera absorve significantemente a faixa do UV-A. (NO 2 absorve, mas sua concentração é extremamente baixa e sua absorção total é muito pequena). 6

7. Raios Ultravioleta A (UV-A: de 315 a 400 nm ) Atingem até a segunda camada da pele (derme), estimulando o bronzeado . Danificam as membranas celulares e o DNA, provocando envelhecimento precoce da pele (devido à formação de radicais livres) e uma possível influência favorável ao desenvolvimento do câncer de pele (devido à diminuição do sistema de defesa natural). Seus danos são cumulativos. 7

8. Raios Ultravioleta B (UV-B: de 280 a 315 nm ) Bronzeamentos e queimaduras à pele humana. A superexposição pode levar ao câncer de pele. O aumento nas quantidades de UV-B pode afetar de forma adversa o sistema imunológico e o crescimento de algumas plantas e animais. A maioria dos efeitos biológicos da luz solar surge porque o UV-B pode ser absorvido pelas moléculas de DNA, que podem, então, sofrer reações prejudiciais. A luz UV-B absorvida pela córnea e pelo cristalino produz moléculas altamente reativas chamadas radicais livres, que atacam as estruturas moleculares podendo produzir cataratas. Vitamina D  8

9. Raios Ultravioleta C (UV-C: < 280 nm ) Seriam os mais nocivos, penetrando mais profundamente e causando tumores. Como é totalmente absorvido pela camada de ozônio, não tem maior interesse para medidas feitas na superfície da Terra e seus efeitos normalmente não se manifestam sobre os habitantes do planeta. 9

10. Efeitos da Radiação UV Queimaduras; Câncer de pele (carcinoma e melanoma) – mortalidade 25%; Associado a diversos problemas nos olhos (córnea e o cristalino protegem a retina); Síntese da vitamina D – importante para a utilização do cálcio; Pode alterar a fotossíntese – menor produção de folhas, sementes e frutos; Pode interferir na vida dos organismos que vivem nos primeiros 5m de profundidade de corpos d’água claras (risco para fitoplânctons , que é a base da cadeia alimentar marinha). 10

11. Átomos ou moléculas que absorvem a luz sofrem imediatamente uma mudança na organização de seus elétrons. Diz-se que existe temporariamente um estado excitado eletronicamente (*). As moléculas não permanecem no estado excitado , usando a energia para reagir fotoquimicamente ou para voltar ao seu estado fundamental, com o arranjo de elétrons de menor energia (mais estável). Absorção de Luz por Moléculas 11

12. Propriedades do O 3 Forma alotrópica do oxigênio. Na estratosfera Protege a vida na terra, absorvendo radiação UV. Na troposfera É considerado poluente atmosférico, altamente irritante, causando danos à vida animal e vegetal . 12

13. Formação do O 3 na estratosfera Nas camadas acima da estratosfera, a maior parte do oxigênio está na forma atômica (O), como resultado da decomposição do O 2 pelo UV-C. O 2 + fóton ( λ < 240nm) → O + O Na estratosfera , a concentração de O 2 é muito superior à concentração de O atômico, e a quantidade de UV-C é muito menor , pois o mesmo já foi filtrado nas camadas superiores. Quanto menor a altitude, maior a concentração de O 2 e menor a de O atômico e de UV-C. O + O 2 + M → O 3 + M + calor Onde M é uma molécula necessária para retirar o calor da reação! (H 2 O, N 2 , O 2 ) Moléculas de N 2 , por serem mais abundantes, geralmente desempenham este papel. Fonte de todo o O 3 na estratosfera! 13

14. Curiosidade... Mesmo na região da camada de ozônio da estratosfera, o O 3 não é o gás em maior abundância , nem mesmo e espécie dominante. Sua concentração relativa nunca ultrapassa 10 ppmv . Portanto, o termo camada de ozônio é de certa forma errôneo. Mesmo assim, essa pequena concentração de ozônio é suficiente para filtrar todo o UV-C remanescente e grande parte do UV-B da luz solar antes que este atinja a baixa atmosfera. 14

15. Destruição do O 3 estratosférico O O 3 absorve eficientemente a luz UV com comprimento de onda menor do que 320 nm , e o estado excitado assim produzido sofre reação de dissociação. O 3 + UV fóton ( λ < 320 nm ) → O* + O 2 * O + O 3 → O 2 + O 2 Comum na média e alta estratosfera! Reação Exotérmica com elevada energia de ativação! (17KJ.mol -1 ) Ocorrem poucas colisões com energia suficiente para que ocorra essa reação! INEFICIENTE! Reações naturais de destruição do O 3 15

16. Ciclo de Chapman Processos de produção e destruição de ozônio. 16 O tempo de vida médio de uma molécula de ozônio a uma altitude de 30 km é de ~30 min.; na baixa estratosfera, dura por meses.

17. Processos catalíticos de decomposição do O 3 X + O 3  XO + O 2 XO + O  X + O 2 O 3 + O  2O 2 Mecanismo I - É necessária a presença de oxigênio atômico A maior parte da decomposição do O 3 é representado por esse processo catalítico, que ocorre principalmente na média e alta estratosfera, pela presença de oxigênio atômico. As espécies X são consideradas catalisadores pois aceleram a reação de decomposição do O 3 e depois são regeneradas, capazes de reiniciar o ciclo novamente! X pode ser H, OH, NO, Cl, ou Br. 17

18. Mecanismo II – NÃO é necessária a presença de oxigênio atômico. Processos catalíticos de decomposição do O 3 1ª Etapa Destruição de duas moléculas de ozônio. X + O 3 → XO + O 2 X’ + O 3 → X’O + O 2 XO + X’O → X + X’ + O 2 2ª Etapa As moléculas formadas reagem entre si. Global: 2 O 3 → 3 O 2 Obs : Vale destacar que X e X’ precisam ser átomos de Cl. Essa reação ocorre na baixa estratosfera, onde há pouca disponibilidade de oxigênio atômico e há altas concentrações dos catalisadores X. 18

19. Resumo dos dois mecanismos catalíticos de decomposição de O 3 Processos catalíticos de decomposição do O 3 estratosférico 19

20. Importante lembrar... Em função das constantes reações de regeneração , o ozônio atmosférico não pode ser permanentemente e totalmente destruído , independentemente de quão elevada seja a concentração do catalisador. Qualquer diminuição na concentração de ozônio a altitudes elevadas permite a penetração de mais UV a baixas altitudes, o que produz mais ozônio local; assim, existe uma espécie de “autorrestabelecimento” na perda total de ozônio. 20