Química de la atmósfera | La química de la atmósfera terrestre y la de otros planetas
La química atmosférica es una rama de la ciencia en la que se estudia la química de la atmósfera de la Tierra y de otros planetas. Es un campo de investigación multidisciplinar y se nutre de la química ambiental, la física, la meteorología, la modelización informática, la oceanografía, la geología y la vulcanología y otras disciplinas. La investigación está conectada con otras áreas de estudio como la climatología.
El estudio de la atmósfera incluye el estudio de las interacciones entre la atmósfera y los organismos vivos. La composición de la atmósfera terrestre cambia como resultado de procesos naturales como las emisiones de los volcanes, los rayos y el bombardeo de partículas solares de la corona del Sol. También ha sido modificada por la actividad humana. Algunos de estos cambios son perjudiciales para la salud humana, los cultivos y los ecosistemas. Algunos ejemplos de problemas son la lluvia ácida, el agotamiento del ozono, el smog fotoquímico, los gases de efecto invernadero y el calentamiento global. Los químicos atmosféricos estudian las causas de estos problemas. Los químicos atmosféricos ofrecen teorías sobre estos problemas y luego ponen a prueba las teorías y las posibles soluciones. Los químicos atmosféricos también observan los efectos de los cambios en la política gubernamental.
Composición atmosférica
| Composición media de la atmósfera seca (fracciones molares) | ||
| Gas | según la NASA | |
| Nitrógeno, N2 | 78.084% | |
| Oxígeno, O2 | 20.946% | |
| Argón, Ar | 0.934% | |
| Componentes menores (fracciones molares en ppm) | ||
| Dióxido de carbono, CO2 | 383 | |
| Neón, Ne | 18.18 | |
| Helio, He | 5.24 | |
| Metano, CH4 | 1.7 | |
| Krypton, Kr | 1.14 | |
| Hidrógeno, H2 | 0.55 | |
| Agua | ||
| Vapor de agua | Muy variable; | |
Notas: la concentración de CO2 y CH4 varía según la estación y el lugar. La masa molecular media del aire es de 28,97 g/mol.
Composición de la atmósfera terrestre. No se incluye el vapor de agua porque cambia mucho con el tiempo. Cada pequeño cubo (como el que representa al criptón) tiene una millonésima parte del volumen de todo el bloque. Los datos proceden de NASA Langley.
Esquema de los procesos químicos y de transporte relacionados con la composición atmosférica.
Historia
Los antiguos griegos consideraban el aire como uno de los cuatro elementos. Los primeros estudios científicos sobre la composición de la atmósfera comenzaron en el siglo XVIII. Químicos como Joseph Priestley, Antoine Lavoisier y Henry Cavendish realizaron las primeras mediciones de la composición de la atmósfera.
A finales del siglo XIX y principios del XX, el interés se desplazó hacia los componentes traza con concentraciones muy pequeñas. Un descubrimiento importante para la química atmosférica fue el descubrimiento del ozono por Christian Friedrich Schönbein en 1840.
Las concentraciones de los gases traza en la atmósfera han cambiado a lo largo del tiempo y también los procesos químicos que crean y destruyen los compuestos en el aire. Dos ejemplos importantes de ello fueron la explicación de Sydney Chapman y Gordon Dobson sobre cómo se crea y mantiene la capa de ozono, y la explicación del smog fotoquímico de Arie Jan Haagen-Smit. Otros estudios sobre la cuestión del ozono condujeron al Premio Nobel de Química de 1995, compartido por Paul Crutzen, Mario Molina y Frank Sherwood Rowland.
En el siglo XXI el enfoque está cambiando de nuevo. La química atmosférica se estudia cada vez más como una parte del sistema terrestre. Antes, los científicos se centraban en la química atmosférica de forma aislada. Ahora, los científicos estudian la química atmosférica como una parte de un sistema único con el resto de la atmósfera, la biosfera y la geosfera. Una de las razones para ello son los vínculos entre la química y el clima. Por ejemplo, el cambio climático y la recuperación del agujero de ozono se afectan mutuamente. Además, la composición de la atmósfera interactúa con los océanos y los ecosistemas terrestres.
Metodología
Las observaciones, las mediciones de laboratorio y la modelización son los tres elementos centrales de la química atmosférica. Los tres métodos se utilizan conjuntamente. Por ejemplo, las observaciones pueden revelar que existe más cantidad de un compuesto químico de lo que se creía. Esto estimulará nuevos estudios de modelización y de laboratorio que aumentarán la comprensión científica hasta el punto de poder explicar las observaciones.
Observación
Las observaciones de la química atmosférica son importantes. Los científicos registran datos sobre la composición química del aire a lo largo del tiempo para observar cualquier cambio. Un ejemplo de ello es la curva de Keeling, una serie de mediciones desde 1958 hasta hoy que muestran un aumento constante de la concentración de dióxido de carbono. Las observaciones de la química atmosférica se realizan en observatorios como el de Mauna Loa y en plataformas móviles como aviones, barcos y globos. Las observaciones de la composición atmosférica se realizan cada vez más con satélites que ofrecen una imagen global de la contaminación y la química del aire. Las observaciones de superficie tienen la ventaja de que proporcionan registros a largo plazo con una alta resolución temporal, pero proporcionan datos de un espacio vertical y horizontal limitado. Algunos instrumentos basados en la superficie, como el LIDAR, pueden proporcionar perfiles de concentración de compuestos químicos y aerosoles, pero siguen estando restringidos en la región horizontal que cubren. Muchas observaciones se comparten en línea.
Mediciones de laboratorio
Las mediciones realizadas en el laboratorio son esenciales para nuestra comprensión de las fuentes y sumideros de los contaminantes y compuestos que se encuentran en la naturaleza. Los estudios de laboratorio indican qué gases reaccionan entre sí y a qué velocidad lo hacen. Los científicos miden las reacciones en la fase gaseosa, en las superficies y en el agua. Los científicos también estudian la fotoquímica, que cuantifica la rapidez con la que las moléculas se separan por la luz solar y cuáles son los productos. Los científicos también estudian los datos termodinámicos, como los coeficientes de la ley de Henry.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la química atmosférica?
R: La química atmosférica es una rama de la ciencia en la que se estudia la química de la atmósfera de la Tierra y de otros planetas. Se basa en múltiples disciplinas, como la química ambiental, la física, la meteorología, la modelización informática, la oceanografía, la geología y la vulcanología.
P: ¿De qué manera el estudio de la atmósfera incluye el estudio de los organismos vivos?
R: La investigación de la química atmosférica también incluye el estudio de las interacciones entre la atmósfera y los organismos vivos.
P: ¿Cuáles son algunos ejemplos de problemas causados por la actividad humana?
R: Algunos ejemplos de problemas causados por la actividad humana son la lluvia ácida, el agotamiento del ozono, el smog fotoquímico, los gases de efecto invernadero y el calentamiento global.
P: ¿Qué hacen los químicos atmosféricos para solucionar estos problemas?
R: Los químicos atmosféricos ofrecen teorías sobre estos problemas y luego las ponen a prueba para encontrar posibles soluciones. También observan los efectos de los cambios en la política gubernamental relacionados con estos temas.
P: ¿Cómo cambia la composición de la atmósfera terrestre de forma natural?
R: La composición de la atmósfera terrestre cambia como resultado de procesos naturales como las emisiones de los volcanes, los rayos y el bombardeo de partículas solares procedentes de la corona del Sol.
