Química a l’atmosfera sense ella, la vida a la terra no ... · Les ones electromagn tiques s n...

Universitat de les Illes BalearsDepartament de Química

Química OrgànicaDr. Pere M. Deyà

Química a l’atmosfera:

sense ella, la vida a la terra no seria

possible

el forat dela capa d’ozò

Unitats Dobson (UD): 2.69x1020 molècules/m2

1.- composició química de l’atmosfera2.- radiacions

3.- cicles biogeoquímics

12

50

80

km500

troposfera

estratosfera

mesosfera

termosferao ionosfera

exosfera

tropopausa

estratopausa

mesopausa

atmosfera

capa d’ozò

hom

osfe

rahe

tero

sfer

a

20001

12

50

80

km500

troposfera

estratosfera

mesosfera

termosferao ionosfera

exosfera

0-60 100 ºC

tropopausa

estratopausa

mesopausa

capa d’ozò

-60ºC

-2ºC

-92ºC

1200ºC

2000

p

10-1 p

10-3 p

10-4 p

10-6 p

pressióatmosfèrica

[H2O] ↑aerosols

75% massa

[O3] ↑

[gasos lleugers]

[espèciesionitzades]

[O2+, N2+, O, H, He]

Composició química de les atmosferes dels planetes del sistema solar i del Sol (% volum)

T(K) H2 He H2O CO2 N2 O2 CH4 Ar

Sol 5760 89 11 1·10-1 - - - 6·10-2 -

Venus

Terra

Mart

732

288

223

1·10-3

5,3·10-5

-

2·10-3

5,2·10-4

-

2·10-3

0 - 4

3·10-2

96,5

3,4·10-2

95,3

3,5

78,1

2,7

2·10-3

20,9

1,3·10-1

6·10-5

1,7·10-4

7·10-3

9,3·10-1

1,6

Júpiter

Saturn

Urà

Neptú

170

130

59,4

59,3

90

96

85

85

10

4

15

15

5·10-4

5·10-4

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

2,4·10-1

2·10-1

<1·10-5

3·10-3

-

-

-

-

Atmosfera primàriaCH4 - NH3 - H2O

radiació: ona electromagnètica

λ

8

E

B

Les ones electromagnètiques són ones transversals en les quals, el camp elèctric i el magnètic són perpendiculars entre sí i, a la vegada, perpendiculars a la direcció de propagació

Les ones electromagnètiques transporten energia però no materia i no necessiten cap mitjà material per a la seva propagació.

λ λ E = h ·ν = h · cλ

2

E = h ·ν = h · cλ

λ

ESPECTREELECTROMAGNÈTIC

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 10 102 104

raigs γpm

raigs Xnm

UVnm

IRμm

microonesmm

ones de radiom km

ona curta

ona llarga

λ (m)

radiacions

radiació solar

radiació terrestre

1 nm = 10-9 m1 µm = 103 nm

atmosfera: composicióGasos anys de

permanència % volum

PERMANENTSnitrògenoxígenargóaltres gasos nobles

106

5·103

-He (107)

78,0820,950,93

0,0008

VARIABLESdiòxid de carbonimonòxid de dinitrògenozòvapor d’aigua

1582

10 dies

0,030,000020,000002

0 - 5 H2O

CO2

O2

N2OO3

100 200 400 800 2000 4000 8000 20000 nm

H2O (0-5 %)

0

1

CO2 (0,03 %)

0

1

O2 (20,95 %)O3 (0,000002 %)O2 O3

0

1

longitud d’ona

N2O(0,00002%)

0

1

atmosfera: absorció d’energia

100 200 400 800 2000 4000 8000 20000 nm

H2O (0-5 %)

0

1

CO2 (0,03 %)

0

1

O2 (20,95 %)O3 (0,000002 %)O2 O3

0

1

longitud d’ona

N2O(0,00002%)

0

1


AtmosferaTerrestre

0

1

400100 200 800 2000 4000 20000 nm8000

longitud d’ona


14

CH4 N2OCFCs HCFCs O3

IRUV

9% UV 43% VIS 48% IR

0

1 AtmosferaTerrestreO3O2

H2OCO2

processos fotoquímicsL’absorció de radiació per les substàncias químiques pot provocar tres tipus d’espècies:

Molècules excitades electrònicament

• M + hν (UV, VIS) → M*Radicals lliures

• radical hidroxil: HO·Ions

• la llum UV pot formar ions que són les espècies predominants en la ionosfera

incidència de radiació solar

10-17 km

50 km

85 km

500 km1.200ºC

-92ºC

-2ºC

-56ºC

UV

(λ >

340

nm

), V

IS, I

R

UV

(λ < 100 nm)

UV

(λ =

200

- 3

00 n

m)

[O] 99% >> [O2] 1%

[O] 50% = [O2] 50%

[O] < [O2]

[O] << [O2]màxim O3

[O2] 99% >> [O] 1%

dispersió (aerosols): 7%reflexió (niguls): 24%reflexió (terra): 4%

absorció (atmosfera): 17%absorció (niguls): 1%

radiació incident: 45-50%

emissió de radiació terrestre

10-17 km

50 km

85 km

500 km1.200ºC

-92ºC

-2ºC

-56ºC

IR (4.000 <λ < 30.000 nm)[O] 99% >> [O2] 1%

[O] 50% = [O2] 50%

[O] < [O2]

[O] << [O2]màxim O3

[O2] 99% >> [O] 1%

IR

cicle de l’ozò estratosfèric

O2 (g) + hν (∼242 nm) → 2 O (g)(a)

O (g) + O2 (g) + M (g) → O3 (g) + M* (g) + Q(b)

O3 (g) + hν (240<λ<310 nm) → O2 (g) + O (g)(c)

O (g) + O (g) + M (g) → O2 (g) + M* + Q(d)

O O

O Q

Q

O

OO

cicle de l’ozò estratosfèric

O2 (g) + hν (∼242 nm) → 2 O (g)(a)

O (g) + O2 (g) + M (g) → O3 (g) + M* (g) + Q(b)

O3 (g) + hν (240<λ<310 nm) → O2 (g) + O (g)(c)

O (g) + O (g) + M (g) → O2 (g) + M* + Q(d)

[O3] = constant

alteració per CFCs i anàlegs

Cl CF

ClF

Freó 12

Freó 113

C CF

FF

ClCl

Cl

139 anys

92 anys

Excel·lents propietats tèrmiques• fluids refrigerants• propelents• agents emulsionants d’escumes aïllants• agents de neteja

Reactivitat química molt baixa• gran estabilitat• llarga permanència en la atmosfera

Cl CF

ClF

Freó 12 139 anys

troposfera

estratosfera

C ClClF

F

OO

O

O


Freó 12 139 anys

troposfera

estratosfera

OO

O

O


Cl

cada àtom de Cl alliberat del CFC pot destruir 100.000

molècules d’ O3

alteració per CFCs i anàlegsAcords CFCs Halons HCFCs

1987Montreal

1990 cong. 19861994 red. 20%1999 red. 50%

1990Londres

2000 eliminació 1992 cong. 19861995 red. 50%2000 eliminació

1993Copenhague

1996 cessament producció

1996 cessament producció i consum

1996 limit prod.2020 eliminació

U.E.1993

1995eliminació

1994 cessament producció i consum

2004 red. 35%2015 cessament producció

efecte hivernacle

100 200 400 800 2000 4000 8000 20000 nm

Espectre d’absorció

de la AtmosferaTerrestre0

1

radiació solar a 5.760 K

radiació terrestre a 255 K

O3O2CO2

H2OO3

CO2

H2O

efecte hivernacle natural

O3O2

CO2H2O

288 K

255 K

efecte hivernacle antropogènic

CO2H2O

288 K

255 K

8.000 - 12.000 nm

H2OCO2 CH4

CFCs

HCFC

s


1750 1800 1850 1900 1950 2000270

290

310

330

1750 1800 1850 1900 1950 20000,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,8

[CO2] (ppm)

[CH4] (ppm)

Mauna LoaGel

Gel

efecte hivernacle antropogènicN2O

agriculturacrema de

combustibles fòssils

CFCsrefrigerants

aerosolsescuma plàstica

HCFCsrefrigerants líquids

SF6aïllants

elèctrics

efecte hivernacle ¿antropogènic?

Temperatures globals

mitjana quinquennalmitjana anual

Varia

ció

de

tem

per

atur

a (º

C)

Any NASA, 2008


1000 1500 1900

Periode medieval càlid

Petita edat de gel

( )

anys enrere

δ18

O/16

O

Ho

locè

∼9ºC

CALOR

FRED

16.000

10.000

anys enrere

δ18

O/16

O

2.000

700

100

800 ka

atapuercahomo

heidelberg

400 ka

homo sapiens

<50 kane

and

erth

al

200 ka

milions d’anys enrere

∆T

(ºC

)

5 milions d’anys de canvi climàtic

(dades de sediments)

refredament progressiu més amplitud de fluctuació

anys x 1000

pleistocè

cicles biogeoquímicsLa composició de l’atmosfera depén dels processos bio i geoquímics que impliquen els diferents elements. Els cicles més importants són:

• cicle del carboni (C)

• cicle del nitrògen (N)

• cicle del sofre (S)

• cicle de l’oxigen (O)

3

cicle del carboni


matèriaorgànica

CaMgSiO2 + CO2 MgSiO3 + CaCO3 + SiO2→←

CaCO3 Ca(HCO3)2 (aq)→←CO2 dissolt

reserves de carboni

1 roquescalcàries

2

3

4CO2

cicle del carboni


matèriaorgànica

CO2 CO2, CO, CH4

COCH4


CaCO3 Ca(HCO3)2→←

CH4

emissió de carboni

des

com

pos

ició

resp

iraci

ó y

desc

ompo

sici

órespiració y

descomposició

combustió

desc

ompo

sici

ó

CO2 dissolt

cicle del carboni


matèriaorgànica

CO2COCH4



absorció de carboni

foto

sínt

esi

fotosíntesi

dissoluc

ió

CO2 dissolt

cicle del carboni


matèriaorgànica

CO2COCH4



emissió antropogènica

comb

ustió

desforestació

combustió ineficient

de biomassa

CO2 dissolt

fotosíntesi

38

CO2 + H2O (CH2O)x + O2desforestació

bosc amazònic torberes

llum + temperatura

cicle del carboni


matèriaorgànica

CO2 CO2, CO, CH4

COCH4



CH4

CO2 dissolt

cicle del carboni: xifres

Absorció de carboni:• producció de vegetació:

57 Gtm/any

• absorció per oceans: 92.2 Gtm/any

• absorció per la terra: 2.3 Gtm/any

Fonts de carboni:• respiració animal/vegetal:

55.5 Gtm/any

• oceans: 90.5 Gtm/any

• combustions: 6.4 Gtm/any

• Canvis utilització de la terra: 1.2 Gtm/any

40

Font: The First State of the Carbon Cycle Report, U.S. Climate Change Science

Program


41

Emissions

Acumulacionsemissions de combustibles fòssilsemissió neta dels canvis d’ús de terresacumulació indefinidaacumulació atmosfèricacaptació oceànica

Font: Woods Hole Research Center, 2009

6,4 Gtm/any

2 Gtm/any

2,2 Gtm/any

4 Gtm/any

2,3 Gtm/any


42

milions d’anys abans

0

2000

8000

4000

6000

CO

2 (p

pm

V)

-600

concentració actual

Què pensa el mon “científic”?“Una abrumadora evidència científica demostra que les emissions de CO2 provenents de combustibles fòssils han causat el canvi climàtic. És vital reduir dramàticament aquestes emissions per reduir el risc de futurs efectes devastadors” • 80% energia deriva dels combustibles fòssils.

• Hi han prou reserves de combustibles fòssils, especialment de carbó (2/3 a EEUU, URSS, India i Xina)

• Aquests països difícilment canviaràn la seva política sobre el carbó => ÉS IMPRESCINDIBLE PERSEGUIR AGRESSIVAMENT LA CAPTURA I EMMAGATZEMAMENT DEL CO2 EMÈS.

• EEUU: 3.400.000.000$ invertits

43

Steven ChuSecretari d’Energia (EEUU)Premi Nobel de física (1997)

Science (2009)

captura i emmagatzemament del CO2

44

Injecció de CO2 supercrític

Planta de producció d’energia a partir de carbó o petroli i planta de captura-separació de CO2.

2

Extraccióde Gas

1

1pou de la mina

mina de carbó a cel obert

Extracció de carbó

3 Transport de CO2

Injecció CO21

CO2 líquid flotant Magatzem

de CO2

5

producció gas/petroliCO2 injectatCO2 emmagatzemat

Opcions geològiques d’emmagatzematge1 dipòsits de gas/petroli empobrits2 ús de CO2 per extraure gas/petroli3 formacions salines profundes (a) sobre el mar, (b) a terra4 ús de CO2 per extraure metà de llits de carbó

Kaniow (Polonya)

inici: 2004 final: 2005760 tm de CO2

injecció sobre capes de carbó a 1.100 m de profunditat.S’està monitoritzant el procés.

Saskatcheuan(Canada)

inici: 2000 1.000.000 tm de CO2/anyinjecció del CO2 d’una planta elèctrica a un pou de petroli actiu per impulsar la seva extracció

Price,Utah (EEUU)

In Salah (Argelia)

inici: 2004 1.200.000 tm de CO2/anyinjecció del CO2 comprimit a un dipòsit ple d’aigua a 1.800 m de profunditat

inici: 2009 3.300.000 tm de CO2

El CO2 es separat de gas natural i injectat a un dipòsit d’aigua salada a 2.300 m de profunditat

Barrow Island(Australia)

Tianjin (Xina)

inici: finals 2016 1.000.000 tm de CO2

El CO2 provenent de carbó gasificat s’utilitzarà en l’extracció de petroli

PROJECTES SEGREST I

EMMAGATZEMATGE DE CARBONI

Sleipner West,(Noruega)

Berlin, (Alemanya)

Química amb CO2

47

CO2

H2N

O

NH2

CH3OH

H2

NH3

OO

O

O

ONa

OH

COONa

O

R

R

O

O

O

n

El CO2 és un reactiu verd, però les reaccions químiques industrials amb CO2 no ajudaràn a

minimitzar l’efecte hivernacle ...

1. La fixació química de CO2 no necessàriament redueix el CO2 total, perquè necessitam energia per fer les reaccions...

2. Hi ha un problema d’escalat ...3. Els productes orgànics en els quals hem fixat

el CO2, generalment emetran CO2 quan siguin utilitzats ...

reflexió final ... no exactament química

48

moltes

gràcies

Universitat de les Illes Balears

Química a l’atmosfera sense ella, la vida a la terra no ... · Les ones electromagn tiques s n...

Documents

Transcript of Química a l’atmosfera sense ella, la vida a la terra no ... · Les ones electromagn tiques s n...