Compusii Carbonului ,Azotului si a Sulfului din atmosfera

Atmosfera este sfera gazoasa a Pamantului care consta dintr-un amestec de gaze si vapori.Limita superioara este considerata inaltimea de 1000 km. , distanta la care moleculele de gaze mai sunt inca antrenate de miscarea de roatie a Pamantului.Limita inferioara este adancimea din scoarta pana unde patrunde aerul ,deci practic adancimea cavitatilor subterane.Intre aceste 2 limite extreme, atmosfera este impartita in etaje. Partea inferioara se numeste TROPOSFERA si tine pana la inaltimea de circa 11 km.Aici au loc toate fenomelene atmosferice (vant ,ploaie ,nori) respectiv procese biologice.Este destul de omogenizata,variatiile de concentratie,ale componentilor majori sunt neinsemnate.Distributia unor componenti minori in speccial a celor care deriva integral sau in mare parte din activitatile umane ,este foarte eterogena.

Diferente mari fata de compozitia aerului din apropierea suprafetei terestre exista doar la inaltimi de peste 100 de km.Deasupra Mezopauzei Oxigenul atomicdevine rapid cea mai importanta particula neutra din atmosfera.La inaltimi si mai mari,Oxigenul neutru este inlocuit de Heliu ,in cele din urma,de Hidrogen,inaltimi la care atmosfera terestra trece la gaze rarefiate din spatiul interplanetar.

TROPOPAUZA este in realitate foarte complexa.Deasupra zonelor polare ale celor 2 emisfere si mergans pana la latitudinea de 55 de grade aceasta tinde sa constituie o suparafata distincta la o inaltime de circa 10 km,cu variatii sezoniere si zilnice relativ mici.Temperatura ei este intre 40-70ºC.De la latitudini de 35 de grade in emisfera de vara pana la latitudini de 20 grade in emisfera de iarna, tropopauza este de asemenea o suprafata bien constituita cu o temperatura practic constanta de aproximativ 80 ºC.Intre aceasta Tropopauza tropicala si cele 2 tropopauze polare exista zone complexe care corespund braului de curenti vestici,in care tropopauza este adesea multipla.Numai foarte rar tropopauzele polare si cea tropicala coincid.Acest interstitiu este important deoarece permite transferul de aer intre Stratosfera si Troposfera.

Urmatorul etaj se numeste STRATOSFERA ,care tine pana la circa 80 km . inaltime.In portiunea dintre 30-60 km , exista un strat omogen cu o concentratie maxima de ozon.Acest strat ,numit OZONOSFERA, protejeaza Pamantul de radiatiile ultraviolete ale soarelui si concomitent se incalzeste.Peste Stratosfera urmeaza IONOSFERA, numita astfel deoarece este formata din particule ionizate.In Ionosfera se deosebesc 2 nivele importante,in care sunt prezenti electroni liberi, care reflecta undele radio.Primul asa numit strat KENNELLY-HEAVISIDE (regiunea E) se regaseste exact la limita dintre stratosfera si troposfera ( 80 km.).Al doilea strat numit APPLETON ( regiunea F).Mai nou stratul APPLETON este subimpartit in 2 substraturi F1 si F2 aflate la 200 respectiv 300 km de suprafata Pamantului.

Referitor la geneza atmosferei exista diferite ipoteze insa intr-o singura privinta cercetatorii sunt de acord si anume ca despre atmosfera in sensul actula al cuvantului se poate vorbi numai din momentul in care din atmosfera primara s-a separat hidrosfera. Cu separarea hidrosferei,din atmosfera primara au evadat o serie de elemente care au precipitat odata cu apa.Atmosfera primara a pierdut si unele gaze usoare care,in momentul initial de formare a pamantului nu a putut fi retinute de forta gravitationala mica si datorita temperaturii mari ( cca.8000ºC)care a imprimat viteze mai mari de degajare a acestor gaze.Unii specialisti afirma ca cea mai mare parte sau intreaga cantitate initiala de Azot,Oxigen,Heliu,Neon,Hidrogen liber si vapori de apa s-ar fi pierdut si actuala atmosfera s-ar fi format din emanatiile vulcanice , adica atmosfera actuala ar fi de origine secundara.

Atmosfera secundara s-ar fi format atunci cand au inceput sa se cristalizeze silicatii.In acest proces ,s-au eliberat cantitati mari de gaze.Este adevarat ca o parte din atmosfera secundara s-ar fi dispersat ,dar ,o data cu racirea Pamantului ,o buna parte din componentii ei au fost retinuti de forta gravitationala.Se presupuna ca aceasta atmosfera secundara ar fi fost initial compusa din :Azot,CO,CO2,vapori de apa ,gaze inerte ,compusi ai Borului,ai Sulfului (SO2 ,SO3 ,H2S) ,mercur,arsen,compusi amoniacali.Se presupune ca in acest stadiu ,atmosfera nu continea Oxigen liber.Aceasta presupunere se bazeaza pe observatia ca Oxigenul liber in emanatiile vulcanice este un constituent neglijabil si ca, in majoritatea rocilor magmatice , Fierul apare sub forma bivalenta.

Aparitia Oxigenului liber in atmosfera este un moment geochimic foarte important pentru unele procese de pe planeta noastra ,avand, in acelasi timp,si o semnificatie cosmichimica mare,deoarece prezenta masiva a Oxigenului liber pana in prezent este cunoscuta numai pe Pamant.Se poate chiar spune ca ,din punct de vedre cosmochimic,elementul caracteristic ,pentru Pamant este Oxigenul liber.Rolul geochimic al Oxigenului in procesele de alterare in potentialul Redox, in migrarea elementelor,a fost expus.

Teoriile cu privire la formarea Oxigenului liber din atmosfera se pot cuprinde in 2 grupe.Cele din prima grupa sustin originea anorganica a Oxigenului liber care spun ca Oxigenul ar fi provenit din disocierea termica a vaporilor de apa si hidrogenul s-ar fi dispersat in spatiul cosmic.O parte a Oxigenului in perioada cand inca solidificarea crustei a fost incompleta, s-a consumat in timpul formarii silicatilor cu continut de Fier ,iar cealalte parte s-a acumulta in atmosfera atunci cand solidificarea crustei s-a desavarsit.

Unii cercetatori ,pornind de la presupunearea unei raciri rapide a Pamantului ,pun la indoiala existenta unei temperaturi atat de mari in stadiul de formare a stratosferei secundare , incat sa aiba loc disocierea termica a vaporilor de apa.

De asemenea se presupune ca Oxigenul liber ar fi provenit din unele reactii dintre gazele vulcanice de exemplu clorul care,reactionand cu vaporii de apa ar fi dat nastere la acid clorhidric si oxigen.

2Cl2 + 2H2O -> 4HCl + O2

Acest Oxigen insa se consuma in procesele de oxidare alle altor constituenti din gazele vulcanice si astfel nu se poate vorbi de un aport substantial de oxigen care sa explice aparitia masivca a acestui element in atmosfera.

A doua grupa de teorii ,care sunt aproape unanim acceptate ,sustin originea organica a oxigenului liber din atmosfera.S-a presupus ca intregul oxigen liber sau cea mai mare parte a lui s-a fomat din Bioxidul de Carbon prin intermediul procesului de fotosinteza a plantelor.Bioxidul de carbon folosit de plante,ar fi provenit din activitatea vulcanica deci a fost considerat ca fiind in mare parte de origine juvenila.O buna parte din el a fost fixat in carbonati.

Azotul sesizat in gazele vulcanice , in parte provine din atmosfera dar o buna parte este cuprins in rocile magmatice.Se poate presupune ca Azotul atmosferic, in ultima analiza ,provine din rocile magmatice in curs de solidificare.Aici Azotul ar mai putea fi prezent si sub forma amoniacala.

Gazele inerte ar proveni din emanatiile vulcanice si ,intr-o masura mai mica ar fi fost puse in libertate din diferite minerale si roci descompuse in procesele de alterare.Helilul se formeza continuu si in procesele de dezintegrare radioactiva de tip Alfa ,insa o parte din el evadeaza din atmosfera si astfel cantitatea lui este mai mica decat ar fi de asteptat dupa calcule.

COMPOZITIA AMOSFEREI

Din punct de vederegeochimic ,cea mai importanta parte a atmosferei este Troposfera ,care se afla in contact cu Litosfera ,Hidrosfera si Biosfera.Din acest motiv ea a fost studiata amanuntit.Compozitia medie a aerului din troposfera este redata in tabelul urmator:

Cantitatea de vapori creste o data cu inaltimea si cu scaderea temperaturii si astfel exista variatii de la 0.02% pana la 4%.Pe plan terestru aceasta influenta a temperaturii se poate observa dinspre ecuator spre poli.La ecuator, atmosfera contine 2.63% volum vapori de apa , la latitudinea de 50 latitudine Nord , 0.92% , iar la 70 Nord 0.22%.Cantitatea de Oxigen scade o data cu inaltimea , ceea ce este de asteptat deoarece la suprafata scoartei au loc procesele de fotosinteza care duc la o acumulare de Oxigen in partile inferioare ale atmosferei.Este interesant insa ca raportul O2:N2 ramane constant la orice altitudine.

Continutul in CO2 nu se schimba in functie de altitudin ci ramane aproximativ acelasi.La altitudinea de 21 km continutul in CO₂ este de 0.028% , ceea ce este o valoare aproape identica cu cea de la suprafata solului-0.03%.Cu toate ca degajarea de dioxid de carbon in apropierea solului este relativ intensa, el se fixeaza in procesele de asimilare , in carbonati,respectiv este partial absorbit de hidrosfera.Azotul din atmosfera sub actiunea radiatiilor se oxideaza partial in NO2 si N2O5 formand chiar un strat su8btire, ce pooate fi asemanat cu stratul de ozon.Mici cantitati de NO2 pot lua nastere in timpul descarcarilor electrice din atmosfera.In ciuda faptului ca oxidarea Azotului este un fenomen constant de mari proportii cantitatea de oxizi este foarte mica(in jur de 1.10 ^60/0 ,volum),deoarece oxizii azotului se descompun foarte rapid.

Ozonul din atmosfera se gaseste in cea mai mare parte in stratul de ozon unde se sintetizeaza printr-o serie de reactii de fotoliza a Oxigenului.In acest proces Oxigenul molecular se descompune in Oxigen atomic.

O2 + hu ->O+O

Care ,reactionand cu O2 formeza ozonul dupa reactia schematica

O+O2-> O3

O parte a ozonului prin curentii verticali ajunge si in partea inferioara a troposferei,insa aici in prezenta vaporilor de apa se descompune in Oxigen.

Daca ozonul ar fi distribuit uniform in atmosfera atunci concentratia medie ar fi de 0.4 ppm.

Compusii Carbonului

Trei compusi ai carbnului domina chimia atmosferica a carbonului.Dintre acestia CO2 este pe departe cel mai abundent.Concentratia medie de CO2 este, in general , in jur de 320 ppm.in volum si tinde sa ajunga la 390 ppm de la sfarsitul secolului XX.

Concentratia de CH4 variaza foarte putin in troposfera de la valoarea sa medie de circa 1.4 ppm in volum.In stratosfera proportia de metan fata de suma celorlalti componenti (raportul de amestec) descreste constant cu inaltimea ajungand la valori de 0.25 ppm in volum la inaltimea de 50km.

Concentratia de Coin troposfera inferioara este foarte variabila.In troposfera loata in ansamblu ,concentratia este cuprinsa,in general ,intre 0.05-0.02 ppm; in aerul poluat al oraselor , destul de frecvent se ajunge la concentratii de 40 ppm.Continutul in volum ,V, scade in stratosfera, dar mai putin rapid decat raportul de amestec al metanului

Dintre compusii carbonului prezenti in concentratii sub 100 ppb recent au atras atentia cei care contin halogeni, deoarece clorul este un catalizator activ pentru distrugerea fotochimica a ozonului din stratosfera.

FORMAREA SI DESCOMPUNEREA METANULUI

Cea mai mare parte a metanului di atmosfera este de origine biologica recenta .Intrucat continutul de C al metanului din atmosfera este de aproximativ 80% din acela al lemnului actual , contributiile arderii combustibililor fosili si ale scaparilor de gaz natural din sondele de petrol si gaze nu pot depasi proportia de cc. 20% din cantitatea totala de CH4 care este in atmosfera, ele fiind, probabil, chiar mult mai mici.

Cantitatea anuala de metan care se formeaza nu este inca bine cunoscuta.Descompunearea fermentativa a materiei organice in mlastini si orezarii ,precum si fermentarea intestinala la animale sunt probabil surse majore de pe uscat.In mediul marin sursa majora o reprezinta sedimentele anoxice.

O fractie importanta a metanului din atmosfera poare sa fie disociata in troposfera.Oxidarea incepe prin reactia cu radicalul OH.

CH4+OH-> CH3 + H2O ,

trece printr-o schema complexa de reactii si in cele din urma conduce la formarea de dioxid de carbon si apa.Oxidul de carbon ( CO) este un produs intermediar importanta incat se poate spune ca descompunberea metanului este ,probabil,singura sursa mai importanta de CO din atmosfera.

FORMAREA SI DESCOMPUNEREA MONOXIDULUI DE CARBON

Problema poluarii ,creata deproducerea unei cantitati de 2 pana la 4x10¹⁴ grame de CO pe an ca urmare a proceselor de combustie tind sa faca obscura importanta cantitatii de CO produsa fara interventia omului.Incendiile de paduri si oceanele contribuie cu circa 0.1 si 0.8 x 10¹⁴ grame de CO annual, dar sursa dominanta este aproape sigur oxidarea fotochimica a CH4.Daca tot CH4 din atmosfera trece printr-un stadiu intermediar de CO in cursul oxidarii spre CO2, atunci prin oxidarea de CH4 rezulta annual 11 pana la 33x10¹⁴ grame de CO.

Modul in care se transforma CO din atmosfera este inteles destul de bine.Reactia

CO + OH -> CO2 + H

Este de importanta majora dar,mai sunt invocate si alte reactii ;astfel este posibil ca procesele biologice si diferite alte reactii chimice care se produc la nivelul suprafetei terestre sa aiba un rol in extragerea de CO din atmosfera.

Azotul si compusii Azotului

Ciclul geochimic al azotului este strans legat de ciclul carbonului, pentru ca ambele elemente sunt componenti esntiali ai biosferei. Distributia celor 2 elemente este insa foarte diferita. Aproape tot carbonul planetei noaste este continut in crusta in timp ce o parte considerabila, probabil intre 30-70 % din tot azotul apartinand Pamantului este prezent sub forma moleculara in atmosfera. Compusii de azot din atmosfera reprezinta o proportie mica din stocul total de azot atmosferic.

Oxidul nitros, N2O, cel mai abundent dintre oxizii azotului, intra in constitutia atmosferei in proportie de 0,33 ppm. Oxidul nitric (NO), dioxidul de azot (NO2) si amoniacul (NH3) sunt prezente in continuturi de ordinul ppb.

Compusii de Sulf

Atmosfera este un rezervor de foarte mica importante pentru compusii sulfului. SO2, cel mai frecvent dintre combinatiile sulfului, se gaseste in aerul nepoluat la nivel de parti la un miliard, iar H2S- in mod normal- este prezent in concentratii sub limitele instrumentale de detectare

Ozonul atmosferic

Numai cativa dintre componentii atmosferei absorb in mod efectiv radiatiile solare ultraviolete cu lungimi scurte de unda. Absorbtia pe care o exercita vaporii de apa are efect pana la lungimea de unde de 2000 Å absorbtia exercitata de CO2 pana la 1800 Å iar cea exerciatata de O2 pana la 2200 Å.

Cantitatea de ozon care actioneaza in prezent, ca ecran protector eficace impotriva radiatiilor se cifreaza la numai 0,16-0,4 cm STP( standard temperature and pressure).

Se contureaza 2 roluri esentiale ale ozonului atmosferic:

Ø     Protejarea tuturor formelor de viata de pe Pamant prin retinerea totala a radiatiei ultraviolete mai scurta de 290 nm, precum si prin dozarea corespunzatoare a ultravioletului din domeniul 290-340 nm.

Ø     Reglarea temperaturii din stratosfera cu implicatii deosebite in conditionarea circulatiei atmosferice si a climei globului terestru.

Pornind de la aceste atribute alr stratului de ozon, ajungem sa definim una dintre problemele globale ale omenirii, respectiv pericolul ca activitatile omului sa

conduca la diminuarea stratului de ozon.

Existenta stratului de ozon si importanta lui vitala pentru viata pe aceasta planeta au fost cunoscute de foarte multi ani. Se cunoaste de asemeni ca omul s-a adaptat de milioane de ani pentru un anumit nivel de ozon in atmosfera. Dar abia de foarte curand s-a relizat ca activitatiile omului pot sa conduca la o poluare importanta a stratosferi si la o reducere seminificativa a cantitatii de ozon.

Consecinte ale diminuarii stratului de ozon

Odata cu diminuarea stratului de ozon radiatia UV care atinge solul devine mult mai intensa si de lungime de unda mai scurta. Este de mentionat ca, cu cat lungimea de unde este mai scurta cu atat efectele sunt mai puternice. Se stie ca radiatia UV are o multitudine de efecte asupra oamenilor, animalelor, plantelor si materialelor. Marea lor majoritate sunt nocive .

Consecintele probabile ale unei cresteri accentuate ale radiatiei UV ca urmare a descresterii ozonului pot fi urmatoarele:

Ø     Sanatatea umana

Ø     Plantele terestre

Ø     Ecosisteme acvatice

Ø     Calitatea aerului troposferic

Ø     Pagube cauzate materialelor

Ø     Consecinte climatice

;Bibliografie

Heinrich D. Holland; Chimia atmosferei si oceanelor, Ed tehnica, Bucuresti, 1983

Iosif Imreh; Geochimie ,Ed Dacia, Cluj-Napoca,1987

M.Frimescu,Ozonul atmosferic, Ed Tehnica , Bucuresti, 1991