A radiação proveniente do Sol é composta por uma fração de comprimentos de onda visíveis para os humanos. Esta porção vai da luz violeta (400 nm) a vermelha (700 nm). Além da faixa do visível, há a radiação infravermelha (lambda > 700 nm) e a ultravioleta (lambda < 400 nm).
A energia da radiação é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Dessa forma a absorção de luz ultravioleta de alta energia pode causar a decomposição de moléculas na atmosfera.
Para irradiação de lambda < 200 nm, a ligação da molécula de oxigênio é quebrada formando O que reagem com outra molécula de O2, produzindo ozônio.
O ozônio absorve luz ultravioleta na faixa de 200 a 300 nm, dissociando-se em O2 e O. Os produtos da dissociação se recombinam liberando calor.
Dessa forma a presença de O3 na atmosfera previne a incidência de luz ultravioleta (U.V.) na faixa de 200 a 300 nm na superfície do planeta. Esses processos de formação e distruição estão num estado de equilíbrio que mantém a concentração estável de ozônio de 3 partes em 10.000.000 na atmosfera toda. Por volta de 90% das moléculas de ozônio se encontram entre altitudes de 10 e 50 km, que corresponde a estratosfera. Nessa região o ozônio pode atingir concentrações de até 1 parte em 100.000.
Entretanto, esse equilibrio pode ser pertubado por algumas substâncias químicas lançadas na atmosfera como resultado da atividade humana.
Clorofluorohidrocarbonetos mistos, como CFCl3,
CF2Cl2 e CF3Cl, são conhecidos
como freons. São compostos inertes e não-tóxicos,
e são largamente empregados como fluidos para refrigeração
e como propelentes em aerossóis. Os freons absorvem a radiação
ultravioleta de comprimentos de onda menores que 220 nm. A absorção
dessa energia leva à dissociação de átomos
de Cl segundo as reações:
Os átomos de cloro atuam como radicais
livres e se combinam com o ozônio segundo uma reação
catalítica.
Os radicais cloro não se combinam para formar Cl2, porque necessitam de uma colisão tricorpuscular para dissipar a energia, e tais colisões são extremamente raras na atmosfera superior. Não há uma queda efetiva na concentração de radicais cloro. Uma vez formados, eles serão sempre reaproveitados, de modo que um pequeno numero de radicais provoca um efeito destrutivo muito grande na camada de ozônio.
A produção anual de freons já foi de 700.00 toneladas (metade disto nos Estados Unidos). Seu emprego em aerossóis foi proibidos nos EUA em 1980 e na Europa em 1990. Ainda são usados em refrigeradores, e sua proibição total na Europa está prevista para o ano 2.000. Os freons estão sendo substituídos por propelentes mais baratos e menos nocivos ao meio ambiente, como CO2 e butano. Há algumas dificuldades relacionadas com isso, pois o butano é inflamável, e não pode ser usado em associação com alimentos.
As ações impetradas pelos organismos internacionais visando banir o uso dos CFCs não impedirão que essas espécies estejam presentes por ainda muitos anos no século XXI, uma vez que essas moléculas são bastante estáveis na atmosfera e apresentam um tempo de vida médio de 50 e 100 anos, respectivamente para CCl3F e CCl2F2.
O óxido de nitrogênio, NO, é eliminado na estratosfera pela ação de aviões a jato. Essa substância reage instantaneamente com ozônio para formar NO2, que por sua vez reage com O regenerando NO que pode reagir sucessivamente com uma outra molécula de O3:
Produção de ozônio por NOx:
Esse conjunto de reações ilustra um princípio muito importante. A equação global e a conversão do monóxido de carbono a dióxido de carbono. Se misturarmos CO e oxigênio, não haverá reação a menos que o sistema seja aquecido ou submetido a uma faísca. Entretanto, na atmosfera o monóxido de carbono é convertido ao dióxido de carbono através da série de reações acima, e nenhuma delas depende da reação do CO com o oxigênio.
Considerando os conjuntos de reações de destruição e produção de ozônio, como saberemos quanto ozônio estará presente na estratosfera? Para cada conjunto, a velocidade global depende da velocidade de uma reação na seqüência. Essa reação é conhecida como etapa limitante. Na produção de ozônio, essa reação corresponde à terceira etapa enquanto que na destruição do ozônio corresponde à segunda etapa.
Podemos calcular a velocidade de destruição
do ozônio a 25 km acima da Terra usando a equação de
velocidade dependente da concentração dos reagentes da etapa
limitante. Neste caso os reagentes são NO2 e O.
Velocidade de destruição do ozônio a 25 km = 2k1 [NO2][O]
k1 é a constante da velocidade para reação
e vale 9,3 x 10E-12 cm3 molécula-1 s-1.
Os colchetes indicam a concentrações
dos componentes. Concentrações de vários componentes
da atmosfera são listados abaixo para duas altitudes: 0 e 25 km.
| Altitude |
|
|
| Ar | 2,5 x 10E 19 | 9,5 x 10E 17 |
| O3 | 4,4 x 10E 11 | 5,4 x 10E 12 |
| CO | 3,3 x 10E 12 | 1,6 x 10E 10 |
| NO2 | 2,5 x 10E 19 | 2,6 x 10E 9 |
| NO | 5,1 x 10E 8 | 4,8 x 10E 8 |
| HOO | 1,1 x 10E 8 | 5,0 x 10E 6 |
| OH | 1,2 x 10E 6 | 7,8 x 10E 5 |
| O | 8,0 x 10E 2 | 6,4 x 10E 6 |
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