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Ciclos Globais de Carbono, Nitrogênio e Enxofre
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Ciclos Globais de Carbono, Nitrogênio e Enxofre: a Importância na Química da Atmosfera

Originalmente publicado em Química Nova, 5(3), 2003
Apoio: Sociedade Brasileira de Química
Edição: Talita Marcília De Oliveira Silva
Coordenação: Guilherme Andrade Marson

Várias das mudanças globais no ambiente causadas por atividades humanas, tais como o aumento nas concentrações e a dispersão global de contaminantes químicos e poluentes, a depleção na camada de ozônio na estratosfera, o aquecimento global e a chuva ácida, são mediadas através da química da atmosfera.


Abreviaturas GtC = gigatoneladas de carbono (1 giga = 10 12 ); Mt = megatoneladas (1 mega =10 6 ); MtC = megatoneladas de carbono; MtN = megatoneladas de nitrogênio MtS = megatoneladas de enxofre; mbar = milibar smog = smoke + fog (fumaça + neblina); reações fotoquímicas = reações induzidas pela luz

Abreviaturas

GtC = gigatoneladas de carbono (1 giga = 1012);

Mt = megatoneladas (1 mega =106);

MtC = megatoneladas de carbono;

MtN = megatoneladas de nitrogênio

MtS = megatoneladas de enxofre;

mbar = milibar

smog = smoke + fog (fumaça + neblina);

reações fotoquímicas = reações induzidas pela luz

Desde as revoluções agrícola e industrial, o balanço entre processos físicos, químicos e biológicos no planeta tem sofrido mudanças como resultado, por exemplo, do elevado crescimento da população, da queima de quantidades cada vez maiores de combustíveis fósseis - e a conseqüente liberação de grandes quantidades de gás carbônico para a atmosfera - e a intensificação de práticas de plantio, levando ao grande consumo de fertilizantes.


O aumento da concentração atmosférica de CO2, por exemplo, é resultado principalmente da queima de combustíveis, mas também resulta de processos de desflorestamento e das contínuas trocas de carbono efetuadas entre a atmosfera, os oceanos e a biosfera continental. As emissões de óxido nitroso vem crescendo como resultado das práticas de fertilização do solo, enquanto metano, que também participa em importantes processos fotoquímicos, é gerado em grandes quantidades por atividades humanas – queima de biomassa, pecuária, depósitos de lixo – e processos naturais (pântanos, decomposição de matéria orgânica).


As altas concentrações de ozônio na troposfera são indesejáveis e resultam de complicados processos fotoquímicos que envolvem as emissões, naturais e artificiais, de óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos. O mesmo ozônio, quando na estratosfera é desejável e vem sofrendo depleção em sua camada de proteção a Terra, como resultado de reações químicas que envolvem, entre outros, os clorofluorcarbonetos, usados industrialmente em diversos fins, como por exemplo, gases refrigerantes.


As emissões de enxofre na queima de carvão mineral e óleos diesel e combustível, para produção de energia, mas também em erupções vulcânicas, contribuem para os fenômenos da chuva ácida e da formação de aerossóis que, entre outros efeitos, podem ocasionar variações climáticas nas temperaturas regionais por dispersão da radiação solar.


O impacto global sobre o planeta de tais mudanças, na constituição química da atmosfera, ainda não está bem entendido, mas poderá ser significativo em muitos casos. A sua compreensão detalhada, contudo, requer que os processos sejam estudados em um contexto mais amplo, que envolva não apenas a atmosfera, mas também a hidrosfera e a litosfera, em seus diversos ciclos globais.


A atmosfera

A atmosfera, tênue envelope de ar que envolve nosso planeta, tem papel fundamental para os seres vivos, pois afeta diretamente o ambiente em que vivemos, mantendo as condições ideais na superfície para a criação e manutenção da vida e, também, protegendo-a de agressões externas. Citando alguns exemplos, ela fornece o dióxido de carbono usado na fotossíntese, o nitrogênio convertido pelas bactérias fixadoras em nitrogênio utilizável pelas plantas, essencial na construção de biomoléculas, além de atuar como um escudo protetor contra radiação cósmica de alta energia.


A atmosfera atual do planeta Terra não é, provavelmente, aquela original. Enquanto a condição atual é a de uma atmosfera oxidante, inicialmente ela seria redutora, provavelmente sem a presença do oxigênio e similar à composição da nebulosa solar. Uma vez tendo sido perdida para o espaço, foi substituída por compostos emitidos a partir de sua crosta ou, como aventado em teorias recentes, introduzidos através do impacto de cometas e outros corpos celestes ricos em materiais voláteis. O oxigênio, por outro lado, surgiu quase todo da produção por organismos vivos, como as cianobactérias.


Geralmente a atmosfera é descrita em termos de camadas, as quais são caracterizadas por gradientes específicos de temperatura, conforme ilustra a Figura 1. A troposfera, que se estende da superfície do solo até a tropopausa - cuja altitude varia entre cerca de 18 km nos trópicos, 12 km em latitudes médias e 6 a 8 km nos pólos – caracteriza-se por um decréscimo progressivo da temperatura com o aumento da altitude.


Figura 1: Representação da atmosfera terrestre
Figura 1: Representação da atmosfera terrestre

Devido à subida do ar quente, essa camada, onde se concentra de 85 a 90% da massa total de ar, é extremamente instável e dinâmica, com permanentes trocas de energia e massa em decorrência de correntes verticais, levando as espécies até a tropopausa em alguns dias ou menos.


Na troposfera acontece a maior parte das reações químicas envolvendo as espécies presentes na atmosfera, bem como nela residem os principais mecanismos de remoção de substâncias e processos climáticos e meteorológicos. Imediatamente acima da troposfera tem-se a estratosfera, que vai até uma altitude de aproximadamente 50 km, delimitada pela estratopausa. Nesta camada, a temperatura obedece a um gradiente positivo, resultante da energia de reações fotoquímicas envolvendo o ozônio e oxigênio molecular. Cerca de 90% do ozônio contido na atmosfera está na estratosfera, sendo este ozônio responsável pela filtração da radiação ultravioleta de alta energia, proveniente da luz solar. A pressão do ar, da ordem de 1 atmosfera próximo à sua superfície, decai rapidamente com a altitude atingindo 010 atmosferas logo após a tropopausa e 0001 atmosferas na estratopausa (aproximadamente 50 km).


A estratosfera é bastante estável quando comparada à troposfera, sendo de um a três anos o tempo de vida médio das substâncias introduzidas em seu limite inferior. Boa parte desta estabilidade é devida à ausência de mecanismos de transporte vertical, via convecção, resultado da variação positiva da temperatura com a altitude.


A seguir vem a mesosfera, mais uma vez apresentando um gradiente negativo de temperatura, e se estendendo a uma altitude de cerca de 90 km, até a mesopausa. Nesta região, novamente voltam a existir importantes mecanismos de transporte vertical de massa. Acima da mesosfera e como última camada, a termosfera de novo apresenta variação positiva de temperatura com a altitude, sendo a difusão molecular um importante mecanismo de separação gravitacional de espécies, de acordo com sua massa molar.


O conjunto de características peculiares da atmosfera faz com que os processos de formação, transformação, transporte e remoção das substâncias possam variar substancialmente entre a troposfera e a estratosfera, as duas camadas que possuem maior importância em termos de ciclos de matéria e energia.


Em termos de média anual, a massa seca total da atmosfera é algo em torno de 5,13 x 1018 kg. Mais de 99,9% consistem de nitrogênio, oxigênio e argônio. A fração restante é composta por CO, CO2, hélio, neônio, criptônio, metano, hidrogênio, ozônio, óxidos de nitrogênio e amônia, entre outros. Vale ressaltar que, embora presentes em concentrações significativamente menores, esses constituintes minoritários podem gerar vários outros compostos e desempenhar papel fundamental em diversos processos químicos e biológicos e mecanismos, tais como a regulação da temperatura do planeta.


Além desses constituintes, diversos compostos ou partículas capazes de modificar a composição natural da atmosfera, são lançados no ar por fontes biogênicas e antrópicas (processos não naturais, resultantes da ação do ser humano) sendo classificados como poluentes. Aí se incluem óxidos de enxofre, carbono elementar, hidrocarbonetos não metânicos, vários oxidantes, aerossóis de metais, partículas sólidas e substâncias radioativas.


O estudo químico da atmosfera busca compreender este sistema e suas interações com os outros compartimentos do planeta, em termos de seus constituintes naturais e artificialmente introduzidos, através da identificação das fontes de emissão, das formas de transporte e remoção e do acompanhamento das transformações e concentrações em escalas locais, regionais e globais.


Ciclos Globais

Ao longo do tempo, a composição da atmosfera tem se modificado em resposta às interações biológicas e geológicas, que ocorrem nas interfaces com a litosfera e a hidrosfera. As altas concentrações de nitrogênio e oxigênio, por exemplo, devem-se à regeneração contínua dessas substâncias por organismos vivos (atividade microbiana e fotossíntese, respectivamente). Na ausência da biota, a atmosfera do planeta teria concentrações de gás carbônico muito maiores do que as atuais, ao passo que o oxigênio seria apenas uma substância em concentração em nível de traços. A vida na Terra é mantida pela energia proveniente do Sol e pelas interações entre sistemas físicos e biológicos em contínuo reciclo, tornando o planeta um sistema auto-sustentado e em evolução.


Gases traço e compostos voláteis, por exemplo, são gerados em emissões biogênicas a partir de solos e oceanos, enquanto que compostos reduzidos de enxofre são produzidos por plantas e microorganismos em oceanos. Grandes quantidades de cinzas e dióxido de enxofre são produzidas durante erupções vulcânicas. O dióxido de enxofre, SO2, assim produzido pode ser ainda convertido a sulfato particulado, na atmosfera. Metano é emitido por vegetação em áreas alagadas e por vazamento em depósitos naturais. Os processos de transporte e deposição são responsáveis pelo retorno de parte dessas substâncias aos solos, oceanos e corpos d’água, enquanto reações na atmosfera produzem as transformações químicas e físicas, convertendo-as em novas espécies.


Com uma boa aproximação, podese assumir que o planeta é um sistema fechado em termos de fluxos de massa, sem entrada ou saída de material. A entrada de pequenos corpos celestes (e.g. meteoritos) e o escape de moléculas muito leves são frações ínfimas nesse balanço. A seguir, serão apresentados os ciclos para alguns dos principais elementos químicos constituintes da atmosfera.


O Ciclo do Carbono

A importância do carbono e de seus compostos é indiscutível. Este é onipresente na natureza e seus compostos (e.g. proteínas, carboidratos e gorduras) são constituintes essenciais de toda a matéria viva, e fundamentais na respiração, fotossíntese e regulação do clima. Existe uma grande variedade de compostos de carbono envolvidos no seu ciclo global, dos quais serão abordados os principais compostos presentes na atmosfera: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), hidrocarbonetos não metânicos (HCNM) e monóxido de carbono (CO).


Figura 2: Ciclo global do carbono
Figura 2: Ciclo global do carbono

Dióxido de carbono (CO2)

Os reservatórios de CO2 na atmosfera, litosfera e oceanos são extremamente grandes. Os fluxos entre estes compartimentos são bidirecionais e quase em balanço, o que faz com que as estimativas de troca sejam difíceis.


A Figura 2 ilustra as principais rotas de troca estabelecidas para o CO2, em processos biogeoquímicos envolvendo os três compartimentos, enquanto a Figura 3 ilustra estimativas de quantidades aproximadas contidas em cada ambiente e os fluxos anuais (GtC/ ano) entre os mesmos.


Figura 3: Fluxos e quantidades de Dióxido de Carbono nos compartimentos
Figura 3: Fluxos e quantidades de Dióxido de Carbono nos compartimentos

As trocas de CO2 entre a atmosfera e a biosfera terrestre ocorrem principalmente através da fotossíntese e a respiração por plantas. Estes dois processos podem ser resumidos pelas seguintes equações:


Fotossíntese:


H2O + CO2 + hν → (CH2O)n + O2 (1)


Respiração:


(CH2O)n + O2 → CO2 + H2O + Energia (2)


Dessa maneira, parte do CO2 fixado segundo a equação 1, é reemitido segundo a equação 2. O restante será armazenado, na forma de biomassa, pelas folhas, caules, raízes, etc, no que é chamado de Produção Primária Líquida (PPL). Essa biomassa, ao ser consumida, como alimento, por organismos heterotróficos, é parcialmente reconvertida de forma imediata a CO2 pela respiração e, posteriormente, por processos de decomposição da matéria orgânica, através da morte de animais e plantas e ataque por microrganismos. No decorrer de um tempo suficientemente longo, a respiração e a decomposição dos organismos heterotróficos tende a balancear a PPL.


A fixação do CO2 pelos oceanos se dá através da dissolução do gás na água e por fotossíntese. A dissolução do CO2 pode ser expressa pelas seguintes equações:


CO2(g) ⇌ CO2(aq) (3)


H = 3,4 x 10-2 mol L-1 atm-1


CO2(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3 (aq) (4)


K = 2,0 x 10-3


H2CO3(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + HCO3-(aq) (5)


K = 4,3 x 10-7 mol L-1


HCO3-(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + CO32- (aq) (6)


K = 4,7 x 10-11 mol L-1


A espécie predominante irá depender do pH da água e das respectivas constantes de equilíbrio das reações. De modo aproximado, a 15 0C e valores de pH abaixo de 5,0, prevalece o CO2(aq), enquanto para pH acima de 10,5 prevalece o CO32-(aq). Para pH próximos a 8,0 praticamente só existe o íon HCO3-. No caso de oceanos, em que o pH da água está próximo a 8,0, a espécie solúvel predominante será, portanto, o íon bicarbonato, HCO3-.


A principal rota de transferência do CO2 para o fundo dos oceanos é pela sedimentação de carbonato de cálcio insolúvel, CaCO3, na forma de organismos formadores de exoesqueletos, como conchas, moluscos, etc. Sua decomposição ao longo de milhões de anos leva à formação de depósitos ricos em hidrocarbonetos (e.g. petróleo) e carvão. Outra parte é re-dissolvida por processos químicos e biológicos, permanecendo como fração solúvel.


O CO2 é também fixado na forma de carbono orgânico, pela fotossíntese de algas na superfície ensolarada das águas e pelo crescimento resultante do fitoplancton. Esse CO2 retorna à atmosfera através da respiração e decomposição da biomassa assim formada.


O balanço de massa no fluxo de CO2 entre a atmosfera e o oceano é resultado de um desequilíbrio nas concentrações desse gás entre os dois compartimentos, de acordo com a localização. Assim, em regiões próximas ao equador, as águas quentes favorecem uma transferência maior do oceano para a atmosfera, enquanto em médias e altas latitudes predomina o processo inverso, em que CO2 da atmosfera é dissolvido nas águas frias. Alguns modelos globais sugerem que há uma transferência líquida de CO2 da atmosfera para os oceanos na faixa de 2,0 ± 08 GtC/ano.


De acordo com medições efetuadas em camadas de gelo na Antártica, a quantidade de CO2 no ar, nos últimos 200.000 anos, variou entre 200 e 280 g/t, denotando uma grande estabilidade nos processos de formação e remoção e, assim, mantendo-se até o século 19, no limiar da revolução industrial. Nos últimos 130 anos, contudo, sua concentração aumentou dos originais 280 g/t a cerca de 360 g/t em meados da década de 1990, num aumento de quase 30%. Atualmente, esse aumento é de cerca de 05% anuais, o qual, caso mantido, dobrará a quantidade no tempo aproximado de um século e meio. Esse acréscimo é atribuído, principalmente, à queima de combustíveis fósseis e, em certo grau, aos processos de desflorestamento e queimadas. É interessante notar que a emissão total de carbono decorrente dessas atividades vem crescendo a taxas de 4,3% ao ano desde a revolução industrial, portanto cerca de oito vezes maiores do que as taxas de crescimento da concentração de CO2. Caso todo o CO2 emitido por estes processos permanecesse na atmosfera, seria esperada uma quantidade bem maior do que a atual. Existem, portanto, importantes mecanismos de remoção dessa produção excedente, sendo os oceanos um deles, através da absorção, enquanto a retirada de CO2 através de processos de replantio seria outro. Não obstante, é importante frisar que cerca de 3,3 GtC, líquidas, como CO2, estão sendo introduzidos na atmosfera do planeta a cada ano, com conseqüências globais sobre o clima, as quais vem sendo amplamente discutidas em diversos foros.


Metano (CH4)


O metano é o composto orgânico em nível traço de maior presença na atmosfera, sendo, depois de CO2 e vapor d’água, o gás estufa mais abundante. A concentração atmosférica do metano permaneceu durante centenas de anos praticamente estável em cerca de 700 mL/m3 até há aproximadamente 200 anos, quando começou a aumentar progressivamente para os valores médios atuais (1998) de aproximadamente 1700 mL/m3. Esse aumento é creditado principalmente a atividades antrópicas. Recentemente, essa velocidade de crescimento vem declinando, sendo uma das prováveis causas a intensificação dos processos químicos de remoção. As fontes de emissão de metano para a atmosfera envolvem áreas alagadas e com deficiência em oxigênio, tais como pântanos, lagos e regiões de cultivo alagado, como no caso do arroz.


As emissões de metano ocorrem através de vários processos, sendo resultado final da decomposição de matéria orgânica via mecanismos redutores, como a que ocorre no organismo de ruminantes (e.g. bovinos e caprinos) e de insetos (e.g. cupins). As principais atividades humanas responsáveis pela emissão de metano são: decomposição de lixo em aterros sanitários; queima de biomassa; mineração de carvão; processamento de petróleo e extração de gás natural.


O principal mecanismo para a remoção do metano na troposfera envolve a oxidação via radical1 OH, mediante a abstração de um de seus átomos de hidrogênio e a formação de um radical CH3 e água, segundo a reação a seguir:


CH4 + OH ⇌ CH3 + H2O (7)


Em seqüência, o radical metila (CH3) formado é oxidado a formaldeído (HCHO), CO e CO2. Em regiões marinhas, a reação com o cloro atômico pode também se tornar relevante e, nesse caso, a equação (7) transforma-se em:


CH4 + Cl ⇌ CH3 + HCl (8)


É importante ressaltar que quando comparadas com outros alcanos de sua série homóloga, as reações 7 e 8 são bem mais lentas para o metano, a 298 K.


Apesar de ainda haver incertezas no balanço global e de possíveis fontes não identificadas ou não suficientemente esclarecidas, estima-se que anualmente são introduzidas na atmosfera, pelas diversas fontes, naturais ou antrópicas, entre 500 e 600 Mt de CH4, enquanto são removidas de 460 a 580 Mt, principalmente via oxidação pelo radical OH.


Hidrocarbonetos não metânicos (HCNM)


Devido às maiores velocidades de reação na atmosfera, especialmente frente ao radical OH, os demais hidrocarbonetos recebem esta classificação que os diferencia do metano. Uma grande variedade de HCNM é emitida para a atmosfera, e suas reações têm importante papel para a química deste compartimento, sendo os mesmos precursores de diferentes oxidantes fotoquímicos, tais como aldeídos, ácidos carboxílicos e ozônio. Valores estimados dão conta que, anualmente, cerca de 1270 MtC são emitidas para a atmosfera na forma de HCNM. Desses, a maior contribuição (~92%) vem de fontes naturais, como emissões por plantas, oceanos e atividade microbiana. Os 8% restantes provém de atividades antrópicas, tais como indústrias, produção de energia e emissão veicular. Extremamente significativas são as emissões naturais de isopreno – 500 MtC/ano (39%) –, e monoterpenos – 125 MtC/ano (10%) – sendo a vegetação sua principal fonte, especialmente florestas e árvores como pinheiros, eucaliptos e as produtoras de frutos cítricos.


Monóxido de carbono (CO)


O monóxido de carbono tem importante papel na química da troposfera, especialmente através da reação com o radical OH, sendo um dos controladores de sua concentração no ar em diversos locais. É ainda um gás-estufa, embora de efeitos menos severos do que o CO2. Monóxido de carbono é produzido na oxidação atmosférica do metano e de HCNM, na emissão por plantas e microrganismos, na fotoxidação de matéria orgânica dissolvida em oceanos e também em diferentes tipos de atividade humana, tais como queima e combustão incompleta de biomassa e combustíveis fósseis. As quantidades atmosféricas de CO diferem de acordo com o local, sendo que em áreas remotas da troposfera seus valores variam entre 30-65 mL/m3 no hemisfério sul e entre 60 e 200 mL/m3 no hemisfério norte. Todavia, em áreas urbanas ou sujeitas à intensa atividade humana, esses valores tendem a ser muito maiores. Estimativas para o balanço de CO indicam que, anualmente, entre 1400 e 3700 Mt de CO são introduzidas na atmosfera, predominantemente através da oxidação de metano e HCNM, enquanto entre 1550 e 3100 Mt são removidas, principalmente através de sua reação com o oxidante OH.


O Ciclo do Nitrogênio

Muitos compostos contendo nitrogênio são encontrados na natureza, pois este elemento químico possui grande capacidade de fazer ligações químicas, com números de oxidação variando de (–3 ) a (+5). É o mais abundante elemento químico na atmosfera terrestre, contribuindo com aproximadamente 78% de sua composição. A molécula de N2 é extremamente estável e quase não desempenha papel químico importante, exceto na termosfera (altitude maior que 90 km) onde pode ser fotolizada ou ionizada. Os constituintes minoritários, tais como óxido nitroso (N2O), óxido nítrico (NO), dióxido de nitrogênio (NO2), ácido nítrico (HNO3) e amônia (NH3) são quimicamente reativos e têm importantes papéis nos problemas ambientais contemporâneos, incluindo a formação e precipitação ácida (chuva ácida), poluição atmosférica (smog fotoquímico), aerossóis atmosféricos e a depleção da camada de ozônio. Os óxidos de nitrogênio, NO e NO2, são rapidamente interconversíveis e existem em equilíbrio dinâmico. Por conveniência a soma das duas espécies é geralmente referida como NOx (NOx ⇌ NO + NO2).


O nitrogênio é essencial à vida, sendo necessário, por exemplo, na constituição das proteínas e do DNA que contém as informações genéticas. A atmosfera é o principal reservatório de nitrogênio, sob forma de N2, embora as plantas e animais não possam utilizá-lo diretamente. Os animais necessitam do nitrogênio incorporado em compostos orgânicos (aminoácidos e proteínas), enquanto que plantas e algas necessitam do nitrogênio sob a forma de íons nitrato (NO3-) ou íons amônio (NH4+).


O ciclo do nitrogênio, ilustrado na Figura 4, é um dos mais importantes e complexos dos ciclos globais. Este ciclo descreve um processo dinâmico de intercâmbio de nitrogênio entre a atmosfera, a matéria orgânica e compostos inorgânicos.


Figura 4: O ciclo global do Nitrogênio
Figura 4: O ciclo global do Nitrogênio

Qualquer processo que resulte na transformação do N2 da atmosfera em outros compostos de nitrogênio é denominado de fixação de nitrogênio. Um grande número de bactérias pode converter o nitrogênio gasoso a amônia (NH3) ou íons amônio (NH4+), por meio de redução catalisada por enzimas, em processo conhecido como fixação biológica de nitrogênio que representa 90% de toda a fixação de origem natural.


Para o ecossistema terrestre, na ausência de fertilizantes, a fixação biológica de N2 pela bactéria chamada Rhizobium é a fonte mais importante de nitrogênio para os organismos vivos. Esta bactéria vive em nódulos ou raizes de leguminosas e representa um exemplo interessante de simbiose, onde há benefícios para ambas as espécies: a leguminosa fornece local e alimento (açúcar) para a bactéria e, por outro lado, recebe o nitrogênio em forma assimilável. Em ecossistemas aquáticos o ciclo do nitrogênio é similar,sendo as cianobactérias os microrganismos mais importantes na fixação de nitrogênio.


Adicionalmente, o nitrogênio gasoso pode ser convertido em amônia e espécies oxidadas, por meio de reação provocada por descargas de relâmpagos, em processo chamado de fixação atmosférica de nitrogênio.


Atividades antrópicas, como por exemplo a produção de amônia ou ácido nítrico, também contribuem para a fixação de nitrogênio em processo denominado de fixação industrial de nitrogênio.


O nitrogênio também pode ser oxidado a nitritos (NO2-) ou nitratos (NO3-) num processo chamado de nitrificação, o qual é facilitado pela presença de certas bactérias e pode ser resumido nas reações 9 e 10. Os óxidos nítrico (NO) e nitroso (N2O) são subprodutos destas reações, as quais também contribuem para a emissão destes gases para a atmosfera.


2 NH4++ 3 O2 → 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+ (9)


2 NO2- + O2 → 2 NO3- (10)


As bactérias, plantas e algas convertem os compostos inorgânicos de nitrogênio a espécies orgânicas, tornando o nitrogênio disponível na cadeia ecológica alimentar. Nos animais, em processo de respiração celular, os compostos orgânicos são transformados, retornam ao solo como excremento e podem ser absorvidos por plantas. Quando os organismos morrem, certas bactérias são capazes de converter os compostos orgânicos contendo nitrogênio em nitrato, amônia ou, por uma série de reações químicas, em nitrogênio molecular, quando, então, retorna à atmosfera.


A redução de nitrato (NO3-) a espécies de nitrogênio (reação 11) sob forma de gás (e.g. N2, N2O, NO), ocorre em processos químicos e biológicos e é denominada de desnitrificação. Como resultado deste processo, o N2 atmosférico constitui o principal reservatório de nitrogênio na Terra. Por outro lado, a ausência de desnitrificação pode ter sido a responsável, no passado, pelo grande acúmulo de nitrato nos oceanos.


A desnitrificação ocorre em toda a superfície terrestre, num processo que reduz o nitrogênio desde o estado de oxidação +V (NO3-) até zero (N2), como mostrado na reação 11, em que os números em algarismos romanos representam os respectivos estados de oxidação do nitrogênio. Esse ciclo é fechado com o retorno do N2 à atmosfera.


NVO3- → NIIIO2- → NIIO → NI2O → N02 (11)


Compostos de Nitrogênio

Além do nitrogênio gasoso, os mais importantes compostos de nitrogênio presentes na atmosfera são a amônia e os óxidos de nitrogênio, os quais serão discutidos a seguir.


Amônia (NH3)


A amônia, apesar do seu tempo de vida relativamente curto, de aproximadamente 10 dias, é o terceiro composto de nitrogênio mais abundante na atmosfera, ficando atrás apenas do N2 e N2O. A sua concentração é variável no espaço e no tempo, sendo os valores característicos na faixa de 01-10 mL/m3. As principais fontes incluem a decomposição enzimática da uréia proveniente de urina e excremento animais, emissão pelo solo, queima de biomassa e perdas durante a produção e aplicação de fertilizantes, que representam a emissão global de cerca de 104,5 MtN/ano como amônia.


A amônia é principalmente um produto da atividade biológica, bem como um subproduto da agricultura e do processo de produção de excrementos por seres humanos e animais.O uso de fertilizantes inorgânicos e a produção de excremento, particularmente em áreas onde há concentração ou confinamento de animais, aceleram a emissão de amônia pelo solo, devido ao aumento das concentrações de NH3 e NH4+.


A amônia é um gás naturalmente alcalino, sendo de grande importância na neutralização da chuva ácida na atmosfera, como exemplificado na reação 12, configurando-se o processo representado por esta reação num dos principais sorvedouros do NH3 atmosférico.


2 NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 (12)


A conversão para aerossóis, através da reação de amônia com H2SO4 e HNO3, resulta, portanto, na formação de sulfatos e nitratos, sob forma de partículas, as quais são removidas do ar atmosférico por deposição seca ou úmida.


Óxido Nitroso


O óxido nitroso (N2O) é liberado para a atmosfera predominantemente do solo e da água, sendo os solos tropicais, provavelmente, as mais importantes fontes naturais deste gás. As emissões devidas ao uso de fertilizantes na agricultura representam a maior contribuição antrópica global de óxido nitroso. Várias outras fontes antrópicas (e.g. atividade industrial, queima de biomassa) contribuem, em menor escala, com o aumento da concentração do N2O atmosférico. O conjunto destas fontes representa a emissão global de cerca de 23,7 MtN/ano como óxido nitroso.


O óxido nitroso tem um tempo de vida global na atmosfera de 130-150 anos, é considerado um gás estufa e é relativamente inerte na troposfera. Entretanto, configura-se na principal fonte de nitrogênio reativo na estratosfera. A remoção de N2O da atmosfera ocorre primariamente através da fotólise (reação 13) e, em menor extensão, pela reação com oxigênio atômico na estratosfera (reação 14), que resulta na formação de NO e de N2 e O2. Através destas reações, o óxido nitroso contribui para a depleção da camada de ozônio.


N2O + hν → N2 + O (13)


N2O + O → 2 NO ( 58%) (14a)


→ N2 + O2 (42%) (14b)


Óxido Nítrico e outros Óxidos de Nitrogênio (NOx)


A grande concentração de óxido nítrico (NO) e outros óxidos de nitrogênio (NOx) presentes na atmosfera resulta principalmente da queima de combustíveis fósseis, queima de biomassa e emissões pelo solo devido a processos biológicos. Outras fontes (e.g. descargas de relâmpago, oxidação de amônia e emissão por oceanos) contribuem, em menor escala, com o aumento da concentração de óxidos de nitrogênio na atmosfera. O conjunto destas fontes representa a emissão global de cerca de 64 MtN/ano como NOx.


Os óxidos de nitrogênio têm um papel relevante na formação de ozônio na troposfera, que ocorre por uma seqüência complexa de reações fotoquímicas, envolvendo, principalmente, dióxido de nitrogênio (NO2), hidrocarbonetos, álcoois, aldeídos e luz solar. A fotólise do NO2 é a principal rota conhecida na formação de ozônio na troposfera, o qual, na ausência de outras espécies oxidantes, converte o NO (óxido nítrico) a NO2, resultando num estado fotoquímico estacionário no qual a concentração de ozônio tende a se manter constante (reações 15, 16 e 17).


NO2 + hν → NO + O (15)


O + O2 + M → O3 + M (16)


O3 + NO → NO2 + O2 (17)


Assumindo uma relação NO2/NO igual a unidade, temperatura de 25 oC e ausência de radicais, a concentração de ozônio no estado estacionário seria em torno de 20 mL/m3, a qual é muito menor do que a observada em locais poluídos, pois os compostos orgânicos voláteis presentes na atmosfera destes locais reagem com o NO inibindo a reação 17.


Os óxidos de Nitrogênio participam de uma série de reações que produzem ácido nítrico, contribuindo para o aumento da acidez da chuva. A presença ou não de radiação solar pode determinar a predominância de algumas reações, por exemplo:


-durante o dia:


NO + O3 → NO2 + OH + MH → NO3 + M(18)


-durante a noite:


N2O5 + H2O → HNO3 (19)


O ácido nítrico e nitratos presentes na troposfera são solubilizados na fase aquosa atmosférica (e.g. nuvens, chuva e neblina) e removidos da atmosfera em processo de deposição úmida. Outro exemplo de processo de remoção de óxidos de nitrogênio é a absorção por plantas. Neste, o óxido nítrico (NO) é consumido mais lentamente que o dióxido de nitrogênio (NO2) e ácido nítrico (HNO3).


O Ciclo do Enxofre

Muitos compostos contendo enxofre são encontrados na natureza, pois este elemento possui grande capacidade de fazer ligações químicas, com números de oxidação variando de (–2) a (+6). O enxofre é um elemento essencial à vida na Terra, sendo alguns de seus compostos de grande importância biológica: organismos vivos, incluindo plantas, assimilam espécies de enxofre, enquanto que ao mesmo tempo, várias formas de enxofre são emitidas como produto final de seus metabolismos. O enxofre representa aproximadamente 05% da massa seca de plantas e microrganismos e 1,3% do tecido animal.


O ciclo global do enxofre compreende um conjunto de transformações entre as espécies de enxofre presentes na litosfera, hidrosfera, biosfera e atmosfera (Figura 5). Compostos reduzidos de enxofre, principalmente o sulfeto de hidrogênio (H2S), são formados por atividade bacteriana anaeróbica, no processo de oxidação de carbono orgânico a dióxido de carbono e redução de sulfato (SO42-) a sulfeto (S2-). Parte deste, ao reagir com íons metálicos é fixado na litosfera, na forma de rochas e sedimentos.


Figura 5: Ciclo global do Enxofre
Figura 5: Ciclo global do Enxofre
Figura 6: Transformação de espécies de enxofre na troposfera
Figura 6: Transformação de espécies de enxofre na troposfera

Na presença de oxigênio, bactérias aeróbicas também podem produzir sulfeto, pela decomposição de matéria biológica contendo enxofre. Compostos reduzidos de enxofre como o sulfeto de hidrogênio (H2S), o dimetilsulfeto (CH3SCH3 ou DMS), o sulfeto de carbonila (COS) e o dissulfeto de carbono (CS2) são voláteis e rapidamente escapam para a atmosfera. A transformação destes compostos na troposfera (oxidante) exibe tendência aos estados de oxidação mais altos (Figura 6).


Os mais importantes gases que contém enxofre e estão presentes na atmosfera são dimetilsulfeto, sulfeto de carbonila, sulfeto de hidrogênio, disulfeto de carbono e dióxido de enxofre.


Compostos Reduzidos de Enxofre

Dimetilsulfeto (CH3SCH3) é o principal composto biogênico do enxofre, sendo emitido predominantemente por certas algas marinhas, por exemplo, a alga vermelha Polysiphonia fastigiata. Parte do enxofre deste organismo está na forma de ácido dimetilssulfopropiônico, que sofre decomposição produzindo o DMS, formando um grande reservatório desta espécie nos oceanos. Cerca de 3% a 10% do DMS presente na água do mar é perdido para a atmosfera, porém o oceano é responsável por 99% do fluxo global de DMS, sendo estimado um valor de 16 MtS/ano. O restante está relacionado com emissões terrestres a partir de vegetação e solos. Uma vez na atmosfera, o DMS reage principalmente com radical hidroxila OH, que é o principal responsável pela sua remoção.


As árvores e outras espécies de plantas são as principais fontes de sulfeto de carbonila (COS) para a atmosfera. O fluxo de cerca de 03 MtS/ ano é estimado para fontes terrestres e oceânicas. A queima da biomassa constitui a maior fonte direta antrópica de COS (12% do total). Devido à baixa reatividade química, o COS é o gás contendo enxofre, mais abundante na atmosfera. Seu tempo de vida médio é de 1,5 ano, o que permite que atinja a alta atmosfera, sendo uma importante fonte de SO2 e de sulfato particulado para a estratosfera.


O sulfeto de hidrogênio (H2S) é um gás de cheiro desagradável, sendo o principal produto da atividade bacteriana. Fontes de H2S para a atmosfera incluem emissões vulcânicas, oceânicas, a partir de solos e vegetação, queima da biomassa e emissões industriais. Uma vez na atmosfera, é rapidamente oxidado pelo radical OH.


O disulfeto de carbono (CS2) é um gás produzido na atmosfera pelo ataque de radicais OH ao sulfeto de carbonila (COS). Fontes desta espécie incluem também atividades industriais, destacando-se a indústria de celulose.


Dióxido de Enxofre (SO2)

Grandes quantidades de enxofre são lançadas na atmosfera na forma de dióxido de enxofre, um dos mais comuns poluentes atmosféricos. As principais fontes de emissão deste gás são a queima de combustíveis fósseis e atividades industriais (refino de petróleo, metalurgia, cimento), enquanto que a atividade vulcânica é a principal fonte associada a emissões naturais de SO2. A queima da biomassa também tem sido considerada uma fonte importante de enxofre atmosférico, principalmente nas regiões tropicais. Estimativas da produção total de SO2 de origem antrópica indicam cerca de 99 MtS/ano.


Conversão das Espécies de Enxofre

Existem algumas incertezas com relação às fontes, reações e destino das espécies de enxofre na atmosfera, porém os processos mais importantes relacionados com estas espécies estão representados na Figura 6. A atmosfera atua como um meio oxidante: compostos reduzidos de enxofre reagem principalmente com radicais OH e NO3, sendo oxidados principalmente a SO2. Uma vez formado ou emitido para a atmosfera, SO2 é oxidado, tanto na fase gasosa, quanto na fase aquosa (chuva, neblina, nevoeiro), produzindo ácido sulfúrico (H2SO4) ou partículas neutralizadas sob forma de sulfato.


A seqüência de reações abaixo representa o processo de conversão do H2S a SO2, que se inicia com o ataque pelo radical OH sendo, em seguida, observada uma série de reações subseqüentes (reações 20 a 24) de espécies intermediárias com outros oxidantes presentes na atmosfera:


OH + H2S → H2O + HS (20)


HS + O3 → HSO + O2 (21)


HS + NO2 → HSO + NO (22)


HSO + NO3 → HSO2 + O2 (23)


HSO2 + O2 → HO2+ SO2 (24)


Para todos os outros compostos reduzidos de enxofre, também a reação com radical OH é o processo de oxidação mais importante na fase gasosa atmosférica. No caso do DMS, a reação com radical NO3, por ser rápida, torna-se também um processo importante de remoção deste gás, em atmosferas poluídas por óxidos de nitrogênio (NOx).


O dióxido de enxofre, SO2, além de ser lançado na atmosfera em grandes quantidades pela queima de combustíveis, é também o principal produto formado devido à oxidação de todos os compostos reduzidos de enxofre. A oxidação por radical hidroxila tem sido também considerada como a principal reação responsável pela conversão do SO2 na fase gasosa atmosférica:


OH + SO2 + M → HOSO2 + M (25)


HOSO2 + O2 → HO2 + SO3 (26)


O trióxido de enxofre (SO3) formado reage rapidamente com a água, tanto na fase gasosa, quanto pela interação com gotas atmosféricas, produzindo ácido sulfúrico (H2SO4):


SO3 + H2O → H2SO4 (27)


Como o dióxido de enxofre, SO2, exibe uma boa solubilidade em água, a fase aquosa atmosférica contém SO2 dissolvido, ou espécies de enxofre no estado de oxidação +4, sulfito (SO32-) e bissulfito (HSO3-), de acordo com os equilíbrios:


SO2(g) + H2O(l) ⇌ SO2.H2O(aq) (28)


H = 1,23 mol L-1 atm-1


SO2.H2O(aq) + H2O ⇌ HSO3-(aq) + H3O+ (29)


K = 1,32 x 10-2 mol L-1


HSO3-(aq) + H2O ⇌ SO32-(aq) + H3O+ (30)


K = 6,42 x 10-8 mol L-1

Figura 7: Esquema representativo da transferência de SO2(g) para a fase aquosa atmosférica
Figura 7: Esquema representativo da transferência de SO 2 (g) para a fase aquosa atmosférica

Na faixa de pH correspondente à água atmosférica (pH 2 a 6), a maior parte do SO2 dissolvido encontra-se na forma do íon bissulfito, HSO3-. A conversão das espécies de S(IV) a S(VI) via solução aquosa apresenta uma química complexa e depende de diversas variáveis, o que inclui: concentração de espécies oxidantes, presença de íons metálicos, tamanho e composição da gota e condições meteorológicas. Possíveis agentes oxidantes para o processo incluem: O2, O3, H2O2, radicais livres tais como OH e HO2 e espécies de nitrogênio, NO, NO2, HONO, HNO3. A oxidação por H2O2 parece ser a mais favorável devido à alta velocidade da reação. Muitos íons metálicos presentes na atmosfera, principalmente Fe(III) e Mn(II), são reconhecidos como agentes catalisadores importantes para a reação de oxidação do S(IV) em fase aquosa. Íons metálicos encontram-se no aerossol atmosférico provenientes da erosão dos solos, indústrias metalúrgicas, de construção e emissões veiculares.


Além da possibilidade de múltiplas reações ocorrerem no processo de oxidação de S(IV) a S(VI) em gotas atmosféricas, é necessário também considerar os processos físicos envolvendo a retirada de SO2 da fase gasosa até a transformação final em sulfato na fase aquosa, representados na Figura 7.


Impacto Ambiental

Ao lado dos processos naturais, atividades humanas tais como indústrias, agricultura e pecuária, aglomeração em grandes cidades, todas dependentes de grandes quantidades de variados insumos e energia, também interferem significativamente nos diversos ciclos, ocasionando transformações na composição e na concentração dos diversos constituintes da atmosfera. Atualmente, termos tipo depleção da camada de ozônio, efeito estufa e chuva ácida, entre outros, foram incorporados ao cotidiano do cidadão comum.


O uso de combustíveis fósseis tem contribuído de forma significativa para o aumento da concentração (pressão parcial) de CO2 na atmosfera. Este fato é preocupante pois, se de um lado, este gás é fundamental para processos como a fotossíntese, regulagem da alcalinidade da água do mar, composição do exoesqueleto de animais marinhos, etc. o aumento da pressão parcial do CO2 na atmosfera pode favorecer algumas culturas de alimentos e fibras. Por outro lado, pode prejudicar o rendimento de outras. Mesmo nos casos onde ocorra o incremento da produção, existirá simultaneamente um maior consumo de nutrientes, o que forçará o aumento do uso de adubos artificiais.


O CO2 e o CH4 são reconhecidamente gases estufa. A diferença entre as respectivas quantidades na atmosfera (CO2 = 360 mL/L e CH4 = 1.700mL/m3), bem como vida média aproximada (CO2 = 500 anos e CH4 = 7- 10 anos), revela menores valores para o CH4. Entretanto, este último tem capacidade 20 vezes maior de acumular calor do que o CO2, resultando em um maior impacto no balanço relacionado ao aquecimento global.


Quando a radiação solar, sob forma de luz visível, atinge a superfície terrestre parte é absorvida e parte é refletida, inclusive sob forma de radiação infravermelha, que está associada ao calor. Se a Terra absorvesse toda a energia solar que recebe, sua temperatura atingiria níveis insuportáveis. A atmosfera terrestre tem um papel fundamental no equilíbrio energético, pois permite a passagem de cerca de 70 % da energia solar incidente refletindo de volta 30%. Parte da radiação que atravessa a atmosfera será absorvida, aquecendo o solo, os oceanos e a própria atmosfera, provocando a evaporação (com a formação de nuvens e chuvas), ventos e correntes oceânicas.


Nesse processo deve ser estabelecido um equilíbrio e parte do calor produzido, sob forma de radiação infravermelha, deve ser reemitido para o espaço. Para sair da ação da Terra, essa radiação deve atravessar a atmosfera. Entretanto, essa atmosfera que era praticamente transparente à luz solar, não o é com relação à radiação infravermelha. Moléculas como CO2, CH4, H2O, O3, entre outras, têm estruturas que permite vibrarem em freqüências correspondentes às radiações infravermelhas. Isso resulta em maior absorção de calor pela atmosfera e, conseqüentemente, maior reflexão de calor para o solo. Este aumento de temperatura é denominado de Efeito Estufa, cujos efeitos poderão afetar todas as áreas do globo terrestre. Calcula-se que o aumento de 1 a 2 °C seriam suficientes para causar enormes danos, e.g. aumento no nível do mar com a inundação de áreas costeiras e cidades, resultando em modificações graves na geografia econômica.


A intensificação de práticas agrícolas com o uso de fertilizantes químicos, o incremento de atividades industriais e das emissões por motores de combustão interna, em muitas regiões do mundo, têm modificado substancialmente o ciclo do nitrogênio, resultando em poluição do ar e da água por ácido nítrico e nitratos e a deposição de amônia nos ecossistemas terrestres.


A remoção de espécies químicas da atmosfera pode ocorrer por deposição seca (sem a participação da fase líquida), ou deposição úmida. No caso de espécies de enxofre e nitrogênio, tais processos estão relacionados com possíveis danos para o ambiente como os resultantes da formação do ácido sulfúrico (H2SO4) e do ácido nítrico (HNO3), principais substâncias ácidas inorgânicas na atmosfera. O termo chuva ácida tem sido usado para todos os processos de deposição úmida. O valor do pH da água de chuva encontra-se mais comumente entre 4,5 e 5,6, devido ao conteúdo natural de dióxido de carbono (CO2) e de espécies de enxofre. Valores de pH mais baixos têm sido observados, principalmente no Hemisfério Norte, como resultado do aumento da concentração de óxidos de nitrogênio e enxofre na atmosfera e a conseqüente formação de substâncias ácidas.


A chuva ácida polui rios e lagos, causando danos à flora e fauna aquáticas e à vegetação. Ao se infiltrar nos solos, os ácidos presentes na água de chuva reagem com diversas substâncias, liberando íons metálicos tóxicos como Al3+, Pb2+, Cd2+, os quais podem ser introduzidos na cadeia alimentar. A acidez aliada à alta concentração de metais tem sido responsável pela devastação de peixes e plantas aquáticas em vários locais.


A transformação das espécies de enxofre na atmosfera também é responsável pela formação do aerossol de sulfato, como gotas de H2SO4 ou partículas de sais: (NH4)2SO4, MgSO4, CaSO4, etc. Estas partículas possuem diâmetro < 10mm (PM10), penetram profundamente nos pulmões e causam doenças respiratórias. Além disso, o aerossol de sulfato provoca a diminuição de visibilidade no ambiente, como conseqüência do fenômeno da dispersão da luz. Aerossóis contendo partículas de sulfato são também responsáveis por mudanças climáticas, já que absorvem e refletem uma fração significativa da radiação solar incidente, podendo provocar redução da temperatura na superfície terrestre.


Os impactos ambientais no ecossistema terrestre e em especial na atmosfera, devido à utilização e transformação de substâncias químicas, poderão ser minimizados pelo uso adequado dos conhecimentos de química e dos recursos naturais, pelo entendimento dos processos ambientais, bem como, pelo estabelecimento de estratégias de remediação e desenvolvimento sustentado. Este é o grande desafio para as gerações atuais e futuras.


  • Referências
    1. MANAHAN, S.E.; Environmental Chemistry, Michigan: Lewis Publishers, 1991.
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    5. FINLAYSON-PITTS, B.; PITTS JR., J.N.; Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere, San Diego: Academic Press, 2000.
  • Saiba Mais
    1. CARDOSO, A. A .; PITOMBO, L. R. M.; Contribuição dos Compostos Reduzidos de Enxofre no Balanço Global do Estoque de Enxofre Ambiental; Quim. Nova, v. 15, p. 213-219, 1992.
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    3. de ANDRADE; M.V.; PINHEIRO, H.L.C; PEREIRA, P. A.de P.; de ANDRADE, J.B. “Compostos Carbonílicos Atmosféricos: Fontes, Reatividade, Níveis de Concentração, e Efeitos Toxicológicos”, Quim. Nova, v.25, p. 1117-1131, 2002.
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