Química de la atmósfera para niños
La química de la atmósfera es una rama de las ciencias de la atmósfera que estudia los procesos químicos que ocurren en la atmósfera de la Tierra y de otros planetas. Se enfoca en cómo las sustancias, incluso en cantidades muy pequeñas, reaccionan entre sí y cómo la luz del Sol las afecta.
Este campo de estudio es muy amplio y se conecta con muchas otras áreas, como la química ambiental, la física, la meteorología (el estudio del clima), los modelos informáticos, la oceanografía (el estudio de los océanos) y la geología (el estudio de la Tierra). También está muy relacionado con la climatología, que es el estudio del clima a largo plazo.
La química de la atmósfera ayuda a entender problemas importantes como la lluvia ácida, el smog fotoquímico (una especie de niebla contaminante) y el calentamiento global. Los científicos que estudian la atmósfera buscan las causas de estos problemas para encontrar posibles soluciones y ver cómo los cambios en las acciones de los gobiernos pueden ayudar.
La composición de la atmósfera terrestre es muy importante porque interactúa con todos los seres vivos. La atmósfera cambia por procesos naturales, como las emisiones de los volcanes, los rayos y las partículas del Sol. Pero también ha sido modificada por las actividades humanas. Algunos de estos cambios pueden ser perjudiciales para la salud de las personas, los cultivos y los ecosistemas. La química atmosférica investiga estos desafíos, como el agotamiento de la capa de ozono y los gases de efecto invernadero.
Contenido
¿De qué está hecha nuestra atmósfera?
La atmósfera está compuesta principalmente por gases. Aquí puedes ver los más importantes:
| Composición media del aire atmosférico seco, en % en volumen | ||
|---|---|---|
| Gas | según NASA |
|
| Nitrógeno, N2 | 78.0840% | |
| Oxígeno, O2 | 20.946% | |
| Argón, Ar | 0.934% | |
| Constituyentes menores (en ppm) | ||
| Neón, Ne | 18.18 | |
| Helio, He | 5.24 | |
| Metano, CH4 | 1,7 | |
| Kriptón, Kr | 1,14 | |
| Hidrógeno, H2 | 0,55 | |
| Agua | ||
| Vapor de agua | Muy variable; típicamente, un 1% |
|
Es importante saber que las cantidades de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4) pueden variar según la estación del año y el lugar.
Un viaje por la historia de la Química Atmosférica
Los antiguos griegos pensaban que el aire era uno de los cuatro elementos básicos. Sin embargo, los estudios científicos sobre la composición del aire comenzaron en el siglo XVIII. Químicos como Joseph Priestley, Antoine Lavoisier y Henry Cavendish fueron los primeros en medir qué gases componían la atmósfera.
A finales del siglo XIX y principios del XX, el interés se centró en los gases que estaban presentes en cantidades muy pequeñas. Un momento clave fue el descubrimiento del ozono por Christian Friedrich Schoenbein en 1840.
En el siglo XX, la ciencia atmosférica empezó a investigar cómo las cantidades de estos gases habían cambiado con el tiempo. También estudiaron los procesos químicos que crean y destruyen los componentes del aire. Dos ejemplos importantes fueron la explicación de cómo se forma y se mantiene la capa de ozono, gracias a los astrónomos Sydney Chapman y Gordon Dobson. Otro fue la explicación de la niebla fotoquímica por Arie Jan Haagen-Smit. Más tarde, los estudios sobre el ozono llevaron a que Paul Crutzen, Mario Molina y Frank Sherwood Rowland ganaran el premio Nobel de Química en 1995.
En el siglo XXI, la química de la atmósfera se estudia cada vez más como parte de las Ciencias de la tierra. En lugar de verla de forma aislada, ahora se considera como parte de un gran sistema que incluye el resto de la atmósfera de la Tierra, la biosfera (donde viven los seres vivos) y la geosfera (la parte sólida de la Tierra). Un tema muy importante es la relación entre la química del aire y el clima, como los efectos del cambio climático en la recuperación del agujero de ozono y cómo la composición del aire interactúa con los océanos y los ecosistemas terrestres.
¿Cómo estudian los científicos la atmósfera?
Para estudiar la química de la atmósfera, los científicos usan tres herramientas principales: las observaciones, los experimentos de laboratorio y los modelos por computadora. El avance en este campo se debe a cómo estas tres partes trabajan juntas. Por ejemplo, si una observación muestra algo nuevo, esto puede llevar a nuevos modelos y experimentos en el laboratorio para entenderlo mejor.
Observando el aire que nos rodea
Las observaciones son fundamentales para entender la atmósfera. Las mediciones regulares de la composición química nos muestran cómo cambia el aire con el tiempo. Un ejemplo famoso es la curva de Keeling, que desde 1958 ha mostrado un aumento constante en la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera.
Estas observaciones se hacen desde lugares especiales llamados observatorios, como el de Mauna Loa. También se usan plataformas móviles como aviones (por ejemplo, la Facility for Airborne Atmospheric Measurements del Reino Unido), barcos y globos. Cada vez más, se usan satélites como el European Remote Sensing Satellite, que llevan instrumentos para medir la contaminación y la química del aire a nivel global. Las observaciones desde la superficie de la Tierra son buenas para tener registros a largo plazo, pero están limitadas al área que pueden cubrir. Algunos instrumentos terrestres como el LIDAR pueden medir la concentración de sustancias químicas y partículas en diferentes alturas.
Experimentos en el laboratorio
Los experimentos en el laboratorio son clave para entender de dónde vienen y a dónde van los contaminantes y los compuestos naturales. En el laboratorio, los científicos descubren qué gases reaccionan entre sí y a qué velocidad lo hacen. Se estudian reacciones que ocurren en el aire, sobre superficies y en el agua. La fotoquímica también es importante para saber qué tan rápido la luz del Sol divide las moléculas y qué productos se forman.
Modelos por computadora
Para resumir y probar lo que se entiende sobre la química de la atmósfera, se usan programas de computadora llamados modelos de transporte químico. Estos modelos resuelven ecuaciones matemáticas que describen cómo cambian las cantidades de sustancias químicas en el aire. Pueden ser muy sencillos o muy complejos.
En estos modelos, hay que equilibrar cuántas sustancias y reacciones químicas se incluyen con la forma en que se representa el movimiento y la mezcla del aire. Por ejemplo, un modelo simple puede incluir miles de reacciones químicas, pero solo representará la mezcla del aire de forma muy básica. En cambio, los modelos 3D representan muchos procesos físicos de la atmósfera, pero incluyen menos reacciones químicas debido a la gran cantidad de cálculos que requieren. Los modelos se usan para entender las observaciones, probar el conocimiento sobre las reacciones químicas y predecir las cantidades de compuestos químicos en el aire. Un objetivo actual es integrar los módulos de química atmosférica en modelos más grandes del sistema terrestre, para estudiar las conexiones entre el clima, la composición del aire y la biosfera.
Algunos modelos se construyen con herramientas que generan código automáticamente, como Autochem. En este método, se eligen las sustancias que se quieren estudiar, y el programa selecciona las reacciones que las afectan de una base de datos. Luego, las ecuaciones que describen cómo evolucionan estas sustancias con el tiempo se crean de forma automática.
Reacciones químicas en la atmósfera baja (Troposfera)
La troposfera es la parte más baja de la atmósfera, donde vivimos. Aquí ocurren algunos procesos químicos importantes:
- El ciclo básico del NO2, NO y ozono (O3), que se forman y se destruyen con la luz del Sol.
- La formación del radical OH· (hidroxilo), que es muy reactivo y ayuda a limpiar la atmósfera.
- La formación del radical NO3, a partir del OH·, que puede formar ácidos como el nítrico.
- Procesos donde se oxida el monóxido de carbono (CO).
- La oxidación del metano (CH4).
- La descomposición de compuestos orgánicos volátiles (COV), que son sustancias que se evaporan fácilmente.
- Reacciones de otros compuestos de nitrógeno y azufre, que pueden contribuir a la lluvia ácida.
Reacciones químicas en la atmósfera alta (Estratosfera)
En la estratosfera, el ozono es el gas más interesante desde el punto de vista químico.
- Producción de ozono: Se forma a través de un proceso llamado Ciclo de Chapman.
- Destrucción de ozono: Se destruye por ciclos catalíticos, donde ciertas sustancias actúan como "ayudantes" para romper el ozono sin consumirse ellas mismas. Esto es lo que causa el agotamiento de la capa de ozono.
- Reacciones entre halógenos, que son elementos como el cloro y el bromo, que también pueden destruir el ozono.
Galería de imágenes
-
Diagrama de las sustancias químicas y procesos de transporte relacionados con la composición de la atmósfera.
-
Concentración Total de ozono en el hemisferio Sur (1957-2001) y agujero en la capa de ozono.
-
Formación del ozono.
Véase también
En inglés: Atmospheric chemistry Facts for Kids
- Lluvia ácida
- Gas de efecto invernadero
- Contaminación atmosférica
- Ozono
- Ciclo del oxígeno
- Paleoclimatología
- Evaluación científica de la disminución del ozono
- Atmospheric Chemistry and Physics, una revista científica
