Hidrologia



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INTRODUCCIÓN A LA GESTIÓN DE LAS EMISIONES

ATMÓSFERA Y CALIDAD DE AIRE




1.-Introducción
La atmósfera es la capa de gases de composición definida que, junto con la radiación solar, permite el desarrollo de la vida sobre la Tierra. La era industrial ha dado origen a una elevada cantidad de desechos, con mayor o menor grado de compromiso, de los cuales una parte significativa pasa a la atmósfera.
De este modo, se produce una importante alteración de la composición del aire atmosférico, que superados ciertos límites de tolerancia, pone en peligro la salud de los ecosistemas y las poblaciones.
Los estudios de contaminación de aire han establecido dos grandes familias de contaminantes en función del volumen de emisión y del tipo de efecto que los mismos provocan, ellos son:


  • Contaminantes atmosféricos clásicos (SO2, Nox, partículas en suspensión y plomo entre otros) correspondientes a contaminaciones por emisiones industriales y domésticos, y cuyos efectos inmediatos son de orden LOCAL o REGIONAL.

  • Contaminantes GLOBALES (CFC, CO2, metano), que afectan a la atmósfera y repercuten en el clima del planeta en forma macro y afectando el aire en su conjunto.

En 1952 la muerte de 4000 personas por la denominada “NIEBLA” de Londres fue el desencadenante de una serie de estudios que finalizaron con la promulgación de la Ley del Aire Limpio en 1956, EE.UU, ya había introducido un año antes la Ley de Control de la Contaminación Atmosférica. Hasta este momento, los problemas de calidad de aire solo se concentraban en las inmediaciones de grandes urbes industrializadas.


Habrían de pasar más de 30 años para que la Comunidad Europea declarara en 1986 que “varios de los agentes tradicionales de contaminación atmosférica, estaban bajo control”, esto crencialemente dado como consecuencia del cambio de combustibles. El uso de carbón en la industria y los domicilios, estaba cambiando por uso de energía nuclear, gas natural y petróleo, todos ellos con menor incidencia en cuanto a la emisión de contaminantes a atmósfera.
El años 1963, define un nuevo proceso de estandarización través de la sanción de la Ley de Aire Limpio en EE.UU y sus posteriores enmiendas, los que se revisan y ajustan en la actualidad.
Debe tenerse presente que la complejidad de las reacciones químicas que tienen lugar en la atmósfera como consecuencia de la actividad industrial, determina que solo puede hablarse de CONTAMINACIÓN ATMOSFERICA cuando, entran en juego factores ajenos a la emisión de sustancias contaminantes como son, las características climáticas y los caracteres topográficos locales.
Además, si los fuentes de contaminación atmosférica de tipo industrial son múltiples y responsables de una importante alteración del aire que respiramos (centrales térmicas, emisiones de industrias químicas, siderúrgicas, cementos, etc), la contaminación derivada del trasporte, en su doble carácter de transporte individual y de uso colectivo, no es mucho menor, y es responsable de buena parte de las emisiones de óxido de nitrógeno y plomo. Tampoco puede olvidarse, sobre todo en países de clima frío, la contaminación doméstica producida como consecuencia del empleo de sistema de calentamiento de agua y ambientes, que emplean como principal combustible los derivados de recursos fósiles.
La alta preocupación derivada de este juego de contaminantes en atmósfera ha concentrado de atención sobre: los contaminantes, sus acciones sobre el medio y la fijación de niveles guías o estándares para el mantenimiento de calidades aceptables de atmósfera, los que se dividen en:

  • Estándares de calidad de aire ambiental.

  • Estándares de emisiones industriales a atmósfera a través de chimeneas.

En general todos los países en la actualidad poseen Legislaciones que tienden a minimizar estas emisiones y en el caso de no poseerlos se aplican por similitud los precedentes de países tales como EE.UU a través de normativas de la Agencia Ambiental, EPA (Enviromental Protection Agency), o bien de la Comunidad Europea.


A su vez y con motivo de problemas relacionados con efectos y variaciones climáticas globales se han firmado una serie de Acuerdos Internacionales que tienden a ir disminuyendo determinados parámetros de emisión en los distintos países del mundo. Estos acuerdos tratan esencialmente el tema de la capa de ozono y los procesos de calentamiento global: Nuestro país está adherido a la mayor parte de estos acuerdos, dentro de los que se consideran: Protocolo de Kyoto, Convenio Internacional de mantenimiento de la capa de ozono.
Para llegar a un mejor análisis relacionado con la calidad del aire, hacemos en primer lugar un breve resumen sobre atmósfera y sus principales características.

2.La Atmósfera


La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra; el nombre proviene de las raíces griegas atmos: vapor de agua, y sphaira: esfera. Bajo la acción simultánea de la atracción terrestre, que la retiene sobre el planeta, y la de su propia fuerza expansiva, que tiende a difundirla hacia el espacio, el aire tiene una densidad relativamente grande en las capas más bajas, comprimidas por el peso de las que están encima, y una densidad decreciente al aumentar la altura; llega a un enrarecimiento extremo en su límite superior.

A partir de estos conceptos generales, definiremos propiedades y composición de la atmósfera así como su ordenamiento.


2.1.Propiedades Físicas y Químicas.
Las propiedades físicas más importantes de la atmósfera son:


  • Movilidad. El aire se encuentra en constante movimiento.

  • Compresibilidad. La presión de la atmósfera varía proporcionalmente a la densidad y temperatura de la misma.

  • Expansibilidad. Al disminuir la presión aumenta la expansión del aire.

  • Transparente, incolora e indolora.

  • Diatermancia. Es transparente a las radiaciones solares.

  • Tiene la forma de la Tierra; es decir, aplastada en los polos y ensanchada en el Ecuador.

En la atmósfera se producen fenómenos químicos, como la oxidación y la combustión.


2.2.Composición del aire.

La atmósfera es una mezcla gaseosa, no una combinación, ya que sus componentes no reaccionan químicamente entre sí; éstos pueden dividirse en permanentes y accidentales (cuadro 2.1).




Permanentes

Accidentales

Nitrógeno 78%

Hollín

Oxígeno 21%

Polvo

Argón 0.94%

Sales Marinas

Bióxido de carbono 0.03%

Cenizas Volcánicas

Gases raros: neón, helio, criptón,

Xenón, radón. 0.03%

Vapor de Agua


Impurezas en General

Cuadro 2.1. Componentes del aire


El nitrógeno ocupa más de 78 % del volumen del aire (78.03); es un elemento esencial para la vida vegetal, aunque, en estado libre, sean pocas las plantas que pueden asimilarlo. Es un gas inactivo, pues no se combina con otros elementos químicos, a no ser por la intervención de una energía externa, como las descargas eléctricas, las cuales provocan la combinación de nitrógeno. Los productos resultantes son llevados por la lluvia al suelo, y así lo nitrogenan.

Al oxígeno corresponde aproximadamente 21 % del volumen del aire (20.99). Es un gas activo y su combinación con otras sustancias químicas hace posible que se realicen los procesos que sustentan la vida. Además, sólo en un medio como el oxígeno es posible la combustión. Hay que recordar que al combinarse con el hierro produce la oxidación (fig. 2.1).

Figura 2.1. Gráfica de los componentes del aire


El anhídrido carbónico (anhídrido carbónico, dióxido de carbono o bióxido de carbono) representa 0.03 % del aire; proviene principalmente de la descomposición de la materia orgánica, animal y vegetal.

El oxígeno del aire, transportado por la sangre a todo el cuerpo, quema los hidratos de carbono de los alimentos y produce bióxido de carbono que, por medio de la respiración, regresa a la atmósfera.

La concentración de anhídrido carbónico varía cerca del suelo. En las ciudades y zonas industriales es muy elevado, pues es el resultado de la combustión. Obviamente, es mayor en la noche que en el día esto se debe a que en las horas de insolación la foto- síntesis que se efectúa en las plantas transforma el bióxido de carbono en oxígeno.

El argón es un gas inerte que está presente en sólo 0.94 % en la atmósfera.

Los gases raros: neón, criptón, radón, helio y xenón están presentes en cantidades pequeñísimas; son químicamente inertes. La propiedad que tienen es de gran utilidad, ya que a baja presión, casi en el vacío, se vuelven incandescentes al ser estimulados por la corriente eléctrica. Los rótulos luminosos de gas neón son un ejemplo.

Vapor de agua. La atmósfera nunca está totalmente seca, siempre contiene alguna cantidad de vapor de agua, en proporciones variables; esta proporción es mayor en las regiones tropicales marítimas.

El vapor de agua proviene de la evaporación de las superficies líquidas y de la transpiración de los vegetales. Su presencia en el aire provoca importantes cambios en el estado del tiempo. Cuando el vapor de agua cambia de estado físico -líquido o sólido- regresa a la Tierra en forma de rocío, lluvia, nieve o granizo.

Los componentes accidentales del aire son aquellos que no siempre se encuentran en la atmósfera, como hollín, polvo, sales, cenizas, etcétera.

El polvo procede principalmente de los desiertos y estepas; las partículas más finas son arrastradas por el viento incluso a grandes distancias. El aire tropical contiene más polvo que el de origen polar.

El hollín se produce por el incendio de bosques, erupciones volcánicas y por la combustión en las zonas industriales.

Las sales que contiene el aire se deben a que el viento levanta la espuma del oleaje y, cuando se evapora el agua, las sales quedan flotando en el aire en forma de finísimas partículas.

Estas impurezas no sólo tienen importancia para la visibilidad, sino además sirven de núcleos higroscópicos en la producción de lluvia. El aire contiene además ozono, el cual se forma y se destruye en la estratosfera por fenómenos fotoquímicos. Una molécula de oxígeno, O2, se disocia en oxígeno atómico cuando absorbe radiación ultravioleta de menos de 2400 A (ángstrom); al chocar una molécula de oxígeno y un átomo de oxígeno, se forma el ozono (O3).
O2 + energía  O + O

O2 + O  O3


La capa de ozono estratosférico tiene un espesor de aproximadamente 20 Km y absorbe gran parte de las radiaciones ultravioleta que provienen del Sol, mismas que si llegaran directamente a la Tierra, además de producir cáncer en la piel, cataratas en los ojos y destrucción de algunas formas de vida, causarían alteraciones climáticas. Desde 1974 se descubrió que dicha capa está siendo destruida poco a poco por la emisión de clorofluorocarbonos (CFC) que son utilizados en los productos en aerosol. En 1987 el satélite Nimbus detectó sobre la Antártida (fig. 2.2) una disminución del 3% en la capa de ozono.




Figura 2.2. Las fotografías por satélite permiten observar cambios estaciónales en la capa de ozono y su adelgazamiento en la zona Antártica.


El ozono de la troposfera. El aire que está cerca del suelo también contiene ozono en una proporción de 2.3 a 2.4 mg por cada 100 m3 de aire, que se forma debido a la acción de los rayos solares sobre los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos; productos ambos de la combustión.

Este ozono, de la baja troposfera, en altas concentraciones es nocivo para la salud ya que es muy oxidante. Hasta unos 20 Km de altura, la composición de la atmósfera permanece constante; a partir de dicha altura disminuye el oxígeno y la proporción de helio, y más arriba, la del hidrógeno. La cantidad de ozono aumenta desde el nivel del suelo hasta 25 o 30 Km de altura, en donde llega a su máxima concentración. A unos 200 Km, en la ionosfera, el nitrógeno disminuye rápidamente y aumenta la proporción de oxígeno, pero ya no en forma molecular (O2), sino en estado de disgregación atómica (O), de tal manera que probablemente hay 21 % de nitrógeno y 79 % de oxígeno, en una atmósfera muy enrarecida, con una presión barométrica insignificante.
Límite y color de la atmósfera
En las capas más bajas el aire posee una densidad relativamente grande, comprimidas por el peso de las de encima y una baja densidad cada vez menor al aumentar la altitud. Como el aire está compuesto de moléculas de distinto peso, a medida que se enrarece con la altitud, sólo van quedando moléculas de los gases más ligeros, hasta que incluso éstos logran alcanzar la velocidad de escape de la Tierra y se pierden en el espacio.

Debido a esta progresiva disminución de la densidad, no puede determinarse el espesor o altura de la atmósfera, sino únicamente señalar a qué altura se producen determinados fenómenos o cuál es el valor de su densidad.

Nuestra atmósfera se extiende hacia fuera, hasta el límite del campo magnético terrestre; es decir, hasta la magnetopausa, que se localiza a unos 10 radios terrestres de altura aproximadamente. Dentro de este límite las partículas de aire con carga eléctrica son atrapadas por la Tierra de un modo más o menos permanente.

Las capas inferiores de la atmósfera se mantienen sobre el planeta debido a la gravedad; en cambio, las capas exteriores están aprisionadas por fuerzas magnéticas. En consecuencia, el límite exterior de la atmósfera está determinado por la interacción del viento solar y el campo magnético terrestre.

El color de la atmósfera en los niveles inferiores se ve de color azul y, a medida que aumenta la altura, pasa del azul oscuro al violeta, y finalmente al negro, donde el Sol brilla con un blanco resplandeciente. Este fenómeno se debe a que las partículas del aire dispersan la luz solar como si fueran un prisma, en una gama de colores que van del violeta al rojo. Como el número de partículas grandes (gotas de agua, polvo, etc.), es mayor en los niveles inferiores de la atmósfera, la dispersión aquí es mayor.

Cuando los rayos luminosos chocan con las partículas del aire hacen un movimiento de zigzag antes de llegar al suelo; de ahí que la luz parezca venir de todos lados como si fuera una fina lluvia.

Debido a que las ondas más cortas, en este caso las azules y violetas, son las que más se desvían, al difundirse en todas direcciones hacen que el cielo tenga una coloración azulada. En cambio los rayos rojos y amarillos, que son los que experimentan menos difusión, provocan que a su salida y puesta, el Sol se vea con una coloración amarilla y rojiza al atravesar el mayor espesor de la atmósfera.

A grandes alturas, y debido a la escasez de partículas, ya no se produce esta desviación, por lo que el manantial de luz queda concentrado en el Sol y el cielo aparece negro.




Figura 2.3. Viento Solar. Éste rodea al campo magnético terrestre, lo aplasta a barlovento y loa alarga a sotavento, y así se le forma a la Tierra una cola magnética invisible





Figura 2.4. La Tierra en el espacio. Imagen de la Tierra, obtenida por el Meteosat, mostrando el vapor de agua de la atmósfera



2.3. Capas de la Atmósfera.
Con base principalmente en la temperatura, pueden distinguirse las siguientes capas atmosféricas: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera o ionosfera. El límite de cada una de ellas está definido y se llama pausa; así tenemos tropopausa, estratopausa, etc. Su altura varía con la latitud y la estación del año.
Troposfera.
La troposfera (del griego thropos: cambio), es la capa que está en inmediato contacto con la superficie de la Tierra. La baja atmósfera es dominada por las fuerzas de gravedad, presión y la radiación visible del Sol. Sus características principales son:

  • Es la capa más densa de la atmósfera; en ella se concentran las tres cuartas partes del aire.

  • Contiene casi todo el vapor de agua atmosférico.

  • La temperatura disminuye con la altura, aproximadamente 0.6 ºC por cada 100 m en aire húmedo, y 1 ºC/100 m en aire seco. A dicha disminución se le llama gradiente vertical de temperatura.

  • En esta capa se producen movimientos convectivos; es decir, corrientes ascendentes de aire, provocadas principalmente por el calentamiento de las capas bajas del aire. Es una capa muy inestable.

  • Debido a las características anteriores, todos los fenómenos meteorológicos se producen en ella.

  • En esta capa se localiza la biosfera, entre 0 y 4 km de altitud, la cual es la zona en que se desarrolla la vida, ya que reúne las condiciones adecuadas de temperatura, humedad y densidad del aire.

  • Tiene como límite superior la tropopausa, que se localiza a 17 km de altura en la zona ecuatorial, y a 8 km en las zonas polares. Se considera 12 km como altura media.

  • En su borde superior la temperatura es de 50 ºC bajo cero (- 50 ºC) aproximadamente.


Tropopausa.
Es la zona que divide a la troposfera de la estratosfera. Es de muy poco espesor, por lo que se considera sólo una capa de transición. Sus características son:

  • Es absolutamente estable.

  • La temperatura cesa de disminuir con la altura, y se mantiene constante.

  • Los vientos alcanzan grandes velocidades, pero como el aire tiene escasa densidad, su efecto es poco perceptible.


Figura 2.5. Capas de la atmósfera. Cada una tiene una función específica de protección de la Tierra


Estratosfera.
En esta capa tiene especial importancia la radiación ultravioleta; sus características son las siguientes:

  • Está formada por estratos de aire con poco movimiento vertical y, por lo mismo, es estable.

  • La temperatura empieza a aumentar con la altura, y llega a 30 ºC a los 35 kilómetros aproximadamente, debido a los procesos fotoquímicos que ahí se producen.

  • En este nivel se localiza la capa de ozono que actúa como pantalla contra la dañina radiación ultravioleta. Por las reacciones químicas que se producen, suele denominarse a esta zona quimiosfera u ozonosfera.

  • Tiene poco vapor de agua, por lo que no se origina nubosidad ni ningún otro fenómeno ligado a la humedad.

  • El límite superior se denomina estratopausa y se localiza aproximadamente a 50 km de altitud.


Mesosfera
A partir de la estratopausa se inicia la mesosfera, donde todavía actúan las fuerzas de gravedad, presión y los rayos ultravioleta. Sus características son:

  • El aire es muy seco. La radiación solar disocia las escasas moléculas de vapor existentes.

  • A partir de los 50 km, su límite inferior, la temperatura comienza a disminuir rápidamente hasta llegar a 110 ºC bajo cero (-110 ºC) en su límite superior.

  • Se producen movimientos turbulentos sobre la capa de aire caliente de la estratosfera.

  • En ella se han detectado bandas de ácido nítrico y nubes noctilucentes formadas por polvo cósmico.

  • El aire está muy enrarecido.

  • Su límite superior, la mesopausa, se localiza a unos 80 km (véase fíg. 2.6).






Figura 2.6. Distribución de la temperatura. Estructura t´rmica de la atmósfera hasta la base de la ionosfera, la que por su alta temperatura también se denomina termosfera.



Ionosfera.
En la alta atmósfera predomina la influencia del campo magnético, la radiación corpuscular del Sol y los campos magnéticos producidos por corrientes eléctricas. La ionosfera es una masa de gases neutros e ionizados; sus características principales son las siguientes:

  • Se localiza entre los 80 y los 500 km aproximadamente.

  • Las moléculas de los gases están disociadas en átomos, por lo cual ya no tienen densidad suficiente para proteger de la acción ardiente de los rayos solares; un ser vivo ardería si estuviera del lado del Sol y se congelaría del lado de la sombra.

  • La energía de los rayos ultravioleta de longitudes de onda menores de 1800 A son absorbidos por el oxígeno molecular, de tal manera que no penetran más allá de 100 km. Lo mismo pasa con los rayos X, de longitud de onda más corta. Al absorber el aire estos rayos ultravioleta, sube la temperatura e irradia calor en infrarrojo, con el mismo ritmo que absorbe la energía ultravioleta; lo que explica las altas temperaturas de la ionosfera.

  • La temperatura aumenta hasta 800 ºC a 200 km de altura y llega a 1500 ºC en el límite superior de esta capa; por lo que también se le llama termosfera.

  • Los rayos solares actúan sobre los átomos ocasionando el desprendimiento de electrones; cuando esto ocurre, en el átomo predomina la carga positiva del núcleo; así, el átomo se convierte en un ion con carga positiva. De ahí la denominación de ionosfera (ion: errante).

  • Debido a las bajas presiones que hay en la alta atmósfera, los procesos de ionización son muy activos, de lo cual resultan altas concentraciones de electrones libres.

  • Se distinguen varias capas eléctricamente cargadas que reflejan las ondas de radio y permiten la recepción de onda corta. Las más importantes son:

- La capa D, que es la más baja, refleja las ondas de radio de baja frecuencia y sólo está presente durante las horas de insolación.

- La capa E, o de Kennelly-Heaviside, se encuentra entre 100 y 130 km; está bien definida y es fuertemente reflectora.


  • La capa F, o Appleton, se localiza a 200 km aproximadamente; a veces se fracciona en capas difusas. Tiene especial importancia en las trasmisiones de radio a larga distancia.




    • En la ionosfera se producen, Ias auroras boreales o australes, que sólo se observan a altas latitudes. La causa de ellas es el paso de una corriente de electrones de oxígeno solar a través de la alta atmósfera, y al chocar éstos con los átomos de aire enrarecido se produce el resplandor. La producción de auroras polares está ligada al magnetismo terrestre y a las fulguraciones solares y, por ello, también con la variación de las manchas solares.



Exosfera.
Se localiza a partir de los 500 km de altitud; tiene tan escasa densidad que rara vez se producen colisiones entre las partículas, a pesar de su desplazamiento a gran velocidad.

Algunas partículas se elevan y después caen, otras se ponen en órbitas alrededor de la Tierra y otras escapan al espacio interplanetario. Esto ocurre con las partículas neutras; en cambio, los movimientos de las partículas cargadas eléctricamente, es decir, los iones y protones, están controlados por el campo magnético de la Tierra.


Magnetosfera
Se extiende desde unos 500 km hasta la magnetopausa. Está constituida por las "trampas magnéticas", llamadas cinturones magnéticos de Van Allen. Son dos envolturas en forma de riñón que rodean ecuatorialmente a la Tierra, y están formadas por electrones y protones captados por el campo magnético terrestre. En la zona exterior hay electrones y en el interior protones de gran energía.

El cinturón interno se localiza a 900 km aproximadamente y el cinturón externo dista, en la región ecuatorial, de tres a cuatro radios terrestres.

El comportamiento general de la magnetosfera está gobernado por el campo magnético terrestre y la radiación corpuscular del Sol.

El viento solar o plasma (tempestades magnéticas) contornea el campo magnético terrestre, lo aplasta a barlovento, que es el frente de choque, y lo estira a sotavento, como una cola magnética (fig. 2.3).


Figura 2.7. Campo Magnético Terrestre. Las partículas magnéticas atrapadas por los cinturones de Van Allen describen espirales alrededor de la línea ABC, y rebotan varias veces antes de ser expulsados.



3.-Contaminación atmosférica.
La contaminación del aire puede definirse, como la presencia de ciertas substancias en concentraciones lo suficientemente elevadas, sobre el nivel ambiental normal, como para producir un perjuicio en la salud del hombre, animales, vegetación o a los materiales. Estas substancias pueden tener un origen natural (volcanes, océanos, etc), o pueden ser introducidas por actividades del hombre (antropogénicas).
Teniendo en cuanta que el hombre consume diariamente 17500 litros de aire, y dado que sólo la troposfera es asequible a la actividad humana, es evidente que la calidad del aire es una cuestión que debe preocupar a la humanidad. Su importancia se ha puesto de manifiesto a partir de las consideraciones asumidas en la introducción.
Existe una gran variedad de substancias presentes en la atmósfera, aunque algunas de ellas están en muy baja proporción (trazas); son constituyentes que pueden proceder de fuentes o orígenes naturales o son consecuencia de actividades humanas. Se pueden establecer distintas clasificaciones de los contaminantes presentes en atmósfera conforme al comportamiento, constitución química o procesos de afectación.
De acuerdo con la afectación provocada, ya hemos aclarado que los contaminantes pueden ser clásicos o globales. Teniendo en cuenta el proceso en atmósfera o la fuente de generación estos pueden ser:


  • CONTAMINANTES PRIMARIOS: que proceden directamente de la fuente de emisión, tal el caso de SO2, NO, NH3, CH4, CO, CO2, CHI, HF, etc.

  • CONTAMINANTES SECUNDARIOS: originados por interacción química entre los contaminantes primarios y los componentes normales de atmósfera, como son SO3, SO4H2, NO2, NO3H,O3, formaldehídos, etc.

Finalmente otra clasificación de los contaminantes, surge a partir de su composición química, considerándose en este caso los siguientes grupos:




  1. PARTICULAS: pueden ser sólidas (polvos), o líquidas (nieblas); según el tamaño serán partículas sedimentables (10m) o partículas en suspensión (10m), o humos ((1m).

  2. COMPUESTOS CON CARBONO: CO, CO2, CH4, hidrocarburos (volátiles, alcanos, aromáticos, etc.)

  3. COMPUESTOS CON NITRÓGENO: NO, NO2, Nox, NH3, PAN, etc.

  4. COMPUESTOS CON AZUFRE: SO2, H2, H2SO4, MSO4, Mercaptanos, Sulfuros, etc.

  5. COMPUESTOS CON HALOGENOS: HCl, HF, Cloroformo, CFC (Clorofluorcarburos), etc.

  6. OXIDANTES FOTOQUÍMICOS: O3, peróxidos, hidroperóxidos, PAN; PBN; etc. (todos ellos de origen secundario)

Se acompañan tablas donde se detallan las concentraciones de compuestos traza en una atmósfera limpia y otra contaminada, a nivel de ejemplo:


TABLA
En relación con el dióxido de carbono es importante aclarar que el mismo no es contaminante en el sentido crítico, ya que el mismo daña específicamente la parte superior de la atmósfera.
La emisión de contaminantes, es una variable que depende crencialmente de la fuente de emisión es decir de las características de la industria o proceso de producción llevado adelante. Por lo tanto se considera de interés incorporar los principales compuestos presentes en atmósferas y sus focos de emisión:
TABLA
En el listado no se encuentran incluidas centrales energéticas puesto que, en este caso, la emisión depende del tipo de combustible, empleado, siendo los de mayor emisión las centrales térmicas con base de carbón, gas oil y fuel-oil.
3.1.- ESTÁNDARES DE CALIDAD.
A nivel de los países con mayor nivel de industrialización se tienen elaborados estándares de calidad del aire, los que son sometidos a revisiones periódicas para proceder a su actualización.
Estos estándares, se encuentran adoptados a los diferentes medios donde se aplican, ya que dependen de la fuente de emisión que es una característica de tipo regional.
Se define como “CONTAMINANTES DE REFERENCIA” a los compuestos que se hay tomado como base para establecer la CALIDAD DEL AIRE. En la actualidad se mantienen como tales a los siguientes: CO, NO2, O3, SO2, PM-10 y Plomo. Los valores guías en la principal normativa ambiental actual, es la siguiente:
TABLA
3.2- UNIDADES DE CONCENTRACIÓN.
En aire hay diferentes métodos y unidades para expresar las concentraciones de contaminantes que son:


  • Ppm (v/v) partes por millón.

  • Ppb (v/v) partes por billón.

  • Mg/m3 :miligramo del compuesto por metro cúbico de aire.

  • Mg/Nm3 : miligramo por “metro cúbico normal” seco de aire.

El “metro cúbico normal” seco se considera para una temperatura de 0 °C y una presión de 1.013mb. Esta posibilidad dimensional es importante cuando la temperatura de emisión es mayor que la atmosférica en cuyo caso un mol de gas emitido no ocupa 22.4 litros dado para el caso de temperaturas por debajo de la atmosférica normal para el lugar de medición.


3.3.- CONTAMINANTES DE REFERENCIA.
Conforme a los contaminantes mantenidos como de referencia es importante establecer: origen, efectos producidos y sus propiedades, a los efectos de un mejor análisis en el momento de planificar tecnologías que permitan superar estas emisiones.
El ingeniero dentro de este marco, conserva como principal compromiso el establecer procesos tecnológicos superadores, que permitan conocida una fuente de emisión llevar lo mismo a valores o estándares admisibles, donde los efectos hayan sido minimizados y las soluciones aplicables surjan conforme a análisis técnicos-económicos compatibles con las producciones.
3.3.1.- Monóxido de Carbono: CO
El monóxido de carbono es un gas incoloro, inodoro e insípido, siendo a su vez el más abundante de los contaminantes de referencia. La tasa de producción promedio es de 100 kg por persona y año.
Respecto a su origen, el mismo procede de la combustión incompleta de combustibles fósiles, que en lugar de producir como residuo dióxido de carbono emiten monóxido de carbono (CO). En forma natural la mayor fuente de emisión de CO es la oxidación del metano en troposfera. En orden de magnitud:


  • 70% corresponde a combustión (antropogenico).

  • 30% corresponde a fuentes naturales.

En este compuesto en particular, las fuentes móviles procedente de vehículos con motores a combustión ocupan un rol preponderante, por lo tanto países de alto nivel de vida y a su vez industrializados son los presentan mayor aportes globales.


Se acompaña tabla donde se establecen estos valores en países europeas y EE.UU. a lo largo de los últimos 20 años y los gráficos donde se aprecian las tendencias.
La presencia de monóxido de carbono sobre la salud humana, provoca deficiencias de oxígeno en la sangre con efectos tales como: dolor de cabeza, fatiga, pérdida de control sobre los músculos, lo que se manifiesta sobre todo en personas, que desarrollan una fuerte actividad física. El contenido de monóxido en estos casos está aproximadamente con víveles superiores a las 30ppm.
3.3.2.- Óxidos de Nitrógeno: NOx
Dentro de los óxidos del nitrógeno, se incluyen: óxido nítrico (NO), di y trióxido de nitrógeno (NO2-NO3) y el óxido nitroso (N2O5), incorporándose como ácidos ácido nítrico y nitrosol (NO2H-NO3H).
Los Nox se producen durante el quemado de combustibles fósiles, a través de dos procesos:


  1. Nox de carburantes: dado como consecuencia de la oxidación del nitrógeno.

  2. Nox térmicos: que son producto de la oxidación del N2 molecular contenido en atmósfera.

Los Nox desde el punto de vista de los efectos producidos en el hombre, muestra a nivel general problemas respiratorios, llegando a enfermedades pulmonares y bronquiales. Desde el punto de vista ambiental puede provocar niebla y afectar rendimientos de cosechas. La niebla de tipo fotoquímica formará como contaminante secundario ozono tropoferico (O3). Altamente ácido y que afecta crencialmente a al biota. Cabe recordar que desde el punto de vista de la combustión., el gas natural prácticamente contiene cantidades despreciables de nitrógeno, mientras que el rato de los combustibles fósiles pueden contener hasta un 3% N. Se acompaña tabla donde se pueden apreciar valores de emisiones en diferentes países a partir de 1970.

TABLA

Si bien a partir de estos valores es posible inferir en general un incremento en los valores hasta 1988, es de hacer notar que a nivel de fuente se mantienen constantes las fuentes móviles, todo ello en función de un crecimiento poblacional acompañado de un aumento de calidad de vida y con el número de vehículos en circulación.


3.3.3.- Oxidos de Azufre SOx
Los óxidos de azufre proceden de la combustión de combustibles, fósiles con alto contenido de azufre, el que se encuentra como sulfuro inorgánico y una vez quemado es liberado bajo la forma de SO2 o bien SO3 .
Las partículas de sulfato (SO42-) se encuentra como depósito húmedo o seco y termina formando lluvias ácidas que afectaran a personas y biota en general. En cuanto a las emisiones per las mismas son las siguientes:

TABLA
Pueden apreciarse en la tabla adjunto la disminución en general detectada en todos los países con un seguimiento estricto de parámetros, aunque para el caso de alta industrialización los valores en todos los casos están por encima de 60 kg per cápita anual. De un análisis detallado de las fuentes de producción, en este caso particular puede apreciarse que solo el 3% de la producción es como consecuencia de fuentes móviles, siendo el resto producto de emisiones de centrales térmicas y procesamientos industriales donde se poseen combustiones importantes.


Desde el punto de vista de su efecto sobre la salud, actúa como agravante de problemas respiratorios. En lo ambiental pueden llegar a provocar corrosiones en materiales y la formación de depósitos ácidos, así como las mencionadas “lluvias ácidos” con el consiguiente daño sobre vegetales.
3.3.4.- Partículas PM-10
Las partículas son los aerosoles o dispersiones de sólidos o líquidos en el aire, que pueden originarse en forma natural a partir del suelo, restos de seres vivos, etc o en forma artificial como consecuencia de actividades antrópicas, dentro de los que se destaca la incineración.
Representan una mezcla compleja de sustancias orgánicas e inorgánicas típicamente dividida en dos fracciones conforme su tamaño:
TABLA
Estas partículas, conocidas ambientalmente como: materia particulada en suspensión, partículas en suspensión totales, PM-10 (partículas con diámetro ≤ 10m) se encuentran en todos los ambientes, pero con mayores porcentajes en zonas urbanas y sus inmediaciones, ya que son el producto de centrales térmicas, incineraciones, procesos industriales de combustión e incineración.
TABLA
La problemática de los particulados preocupa a los ambientalistas desde hace muchos años y las tecnologías para minimizar su porcentajes están altamente desarrollados, por lo que en los últimos años tendencias de disminución de estos contenidos en atmósfera, tal como se puede apreciar en tabla adjunta:
TABLA
De todas formas las mayores proporciones de particulados provienen sin duda de fuentes estacionarias, lo que se observa en tabla, donde este valor es aproximadamente 5 veces los valores de fuentes móviles.
TABLA
En relación con las acciones provocadas por concentraciones excesivas de SO2, humo negro y partículas totales, están asociadas aumentos en mortalidad, enfermedades y dificultades respiratorias.
3.3.5.-Compuestos Orgánicos Volátiles: COV
Los compuestos orgánicos del aire están compuestos en el 50 % por hidrocarburos y sustancias menos abundantes aunque de mayor reactividad tales como fenoles, bencenos, CFC y PCB, estos últimos con condiciones de cancerígenos conocidos o bien sospechados.
En cuanto a la fuente de producción, las mismas son muy cariadas y es posible establecer algunos casos típicos dentro de los que no se incluye metano, por tratarse de un compuesto de alto contenido en atmósfera entre 1 y 6 ppm. Apero menor gravedad.
TABLA
Las fuentes emisoras se encuentran distribuidas en general en un 27 % para transporte por carreteras, 17 % industrias de disolventes, 15 % de minería de carbón, 17 % el metano producto de vertederos sanitarios, 10 % redes de gas y 12 % de fuentes naturales (bosques, bañados, etc.)
3.3.6.-Ozono: O3
El ozono es considerado como contaminante de referencia ya que se asocia con niebla urbana, pero de todos modos es un contaminantes secundarios u oxidantes fotoquímicos de los cuales el más importante es el ozono.
La formación de niebla es el resultado de la siguiente reacción:
Hidrocarburos + Nox + radiación → niebla fotoquímica

(smog)
Las fuentes de producción de hidrocarburos y de Nox son primordialmente los vehículos. Por ejemplo entre una atmósfera limpia y una de zona urbana contaminada las concentraciones van desde 20 a 80ppb hasta 500ppb.


Niveles elevados de ozono a efectos tales como constricciones de pecho e imitación en mucosas, en biota daños en la vegetación y en los materiales alteración de productos de goma tales como las cubiertas de los vehículos automotor.
3.3.7.- Plomo: Pb.
Los metales presados: Cromo, Plomo, Cadmio, Mercurio, Níquel, entre otros son contaminantes atmosféricos significativos.
El plomo en particular proviene de la utilización de combustibles (naftas) ricas en plomo, de la combustión del carbón y fuel-oil y de la fundición en general.

En relación con los efectos producidos en el hombre, el plomo se va acumulando lentamente en los órganos del cuerpo humano, provocando lesiones, que pueden llegar a ser de extrema gravedad en el sistema nervioso. Puede producir enfermedades de tipo crónico, como son la inhibición de la síntesis de hemoglobina, posibles efectos en las funciones digestivas y reproductoras, daños en el cerebro y alteraciones en la conducta. También puede ser el causante de la aparición de anomalías cromosómicas en los individuos.


Este metal en suspensión en el aire está en forma de partículas de tamaño inferior a 3 m. Puede encontrarse también en el agua y en los alimentos (como pescado) siendo biacumulativo en todos los organismos vivos, donde entre el 30 y el 50 % del plomo inhalado se aloja en sistema respiratorio y el resto es absorbido por el cuerpo.
Las emisiones de plomo per procedentes de vehículos fueron hasta 1989 los que se resumen:
Tabla.
Ya en 1990 se inicia el uso de naftas sin plomo, los que se han extendido a lo largo de los principales países del mundo. Para este mismo alo países como Alemania y Dinamarca ya comercializaban el 60 % de combustibles sin plomo. En casos de países en vías de desarrollo esto se ha ido extendiendo poco a poco y solo en los últimos años su comercialización es una práctica corriente.
3.3.8.- Consideraciones generales
Se acompaña finalmente a nivel de resumen, los principales contaminantes, donde se indican sus propiedades y la fuente de producción:
TABLA
Respecto a metales pesados contenidos en el aire se diagrama en forma simplificada, fuente de producción y efectos.
Desde el punto de vista ambiental es importante destacar situaciones puntuales de grandes urbes, donde es posible la formación de niebla fotoquímica conocida normalmente como smog. A los efectos repasamos algunos puntos de interés.


2.3. Estratificación estable, neutra e inestable.
Nos referimos siempre a aire seco.
2.3.1.Estabilidad:
Sea un tramo de la curva de estado en la que el gradiente vertical de temperatura () sea en valor absoluto inferior al gradiente adiabático. Una burbuja que tiende a ascender en la atmósfera en estas condiciones sufrirá un enfriamiento de 1ºK/hm mientras que el aire que la rodea está sujeto a un enfriamiento menor. El aire de la burbuja será por lo tanto cada vez mas frío del que lo rodea, y por lo tanto más denso (mas pesado). Por el principio de Arquímedes tenderá a descender, es decir aparece una fuerza que se opone al movimiento iniciado, por lo que para poder ascender debería recibir una fuerza exterior al sistema; análogamente si se iniciara un movimiento de descenso aparecerá también una fuerza que se opone a dicho movimiento. Por lo tanto en estas condiciones, jamás aparecerán movimientos verticales espontáneamente, estamos en un estrato estable.
2.3.2.Inestabilidad:
Si por el contrario nos encontramos en una estrato en el que la curva de estado presenta un gradiente de temperatura en valor absoluto superior al gradiente adiabático, lo que suele denominarse gradiente súper adiabático, una burbuja que inicie un ascenso encontrará rodeada de aire mas frío y por ende más denso que ella, con lo que aparecerá una fuerza favorable al movimiento, tanto si es ascendente como descendente. Aparecerán espontáneamente movimientos verticales de origen térmico, lo que llamamos movimientos convectivos o simplemente convección.
2.3.3.Estratificación Neutra:
Será lógicamente en el caso de que el estrato tenga un gradiente vertical igual al gradiente adiabático, en cuyo caso los movimientos verticales pueden realizarse sin alterar el balance energético con trabajo exterior, pero tampoco admiten disipación (es decir la mínima fuerza detendrá el movimiento iniciado).

No es difícil de asimilar de una manera general la estabilidad con la dificultad de la dispersión vertical de contaminantes, mientras al contrario una atmósfera neutra o inestable repetirá verticalmente los contaminantes.


En las siguientes figuras representamos con un ejemplo sencillo cada uno de los tres caso descriptos. En la comparación de los gradientes hay que tener en cuenta que  es negativo, ya no hablamos de valores absolutos.
Sea:
 = gradiente de la curva de estado
 = dT/dz
 = gradiente adiabático
 = dT/dz(=0) = -1ºK/Hm

Estable

Inversión

  0

Isoterma

 = 0

Estable (sin inversión)

    0






TAIRE > TBURBUJA
 Fuerza Descendente



Inestable

  



TAIRE  TBURBUJA
 Fuerza Ascendente







Estratificación

Neutra

 = 



TAIRE = TBURBUJA
 F = 0


2.4.Inversión Térmica.
Un caso extremo de estabilidad puede presentarse cuando la curva de estado la temperatura en lugar de disminuir con la altura permanece constante (estrato isotermo) o aún peor crece con la altura (inversión térmica).

En el caso de inversión térmica importante, suficientemente profunda y potente, los movimientos verticales quedan totalmente inhibidos en los dos sentidos, por lo que se suele decir que las inversiones térmicas son infranqueables, es decir que separan dos masas de aire arriba y debajo de la inversión prácticamente inmiscibles y que pueden conservar características muy distintas como por ejemplo la humedad relativa que las caracteriza como masas de aire distintas.

Precisamente este es el caso que se da en la separación de diversas capas de la atmósfera, así entre la troposfera y la estratosfera se encuentra la tropopausa caracterizada por una fuerte inversión de temperatura.

Así, una inversión de temperatura sobre una atmósfera urbana constituye como un tapón que impide a los contaminantes emitidos en la ciudad superar la base de dicha inversión con lo que se van acumulando y aumentando su concentración, sobretodo si como es corriente esta situación va acompañada de débil viento en la superficie.

Dado que las fuentes del vapor de agua en la atmósfera están a nivel del suelo, no es de extrañar que en estas situaciones se acumule también por debajo e la inversión en forma de nieblas, como las típicas nieblas invernales de los llanos del interior, o en fin nubes estratificadas que se sitúan por debajo de la base de la inversión.

Por todo lo que acabamos de decir se coliga que una de las características cruciales de la inversión es su base, es decir la altura en que se presenta la pendiente positiva en la curva de estado. En ampo abierto la base puede situarse junto al suelo, pero en una ciudad, y debido al calentamiento propio de sus actividades (el efecto de isla térmica) no se da nunca este caso.

Las otros características a tener en cuenta de una inversión son la profundidad, es decir el grosor del estrato con gradiente vertical, y su potencia o diferencia de temperatura entre su cima y base.


2.5. Tipos de Inversión Térmicas.
Las inversiones térmicas se clasifican atendiendo a los procesos físicos que las originan.
2.5.1. Inversión de Radiación.
También es conocida a veces con los nombres de inversión de superficie o inversión nocturna.

La tierra como todo objeto caliente, irradia radiación electromagnética, que de acuerdo con la temperatura del planeta se sitúa en el espectro infrarrojo de radiación. Durante el día el balance de radiación entre la recibida del Sol que fundamentalmente en el espectro visible, y la emitida por la tierra es claramente favorable a la radiación incidente, por lo que la tierra se calienta. Los componentes mayoritarios de la atmósfera son transparentes, a la radiación solar, por lo que la troposfera no se calienta directamente por el Sol sino a través de los movimientos inducidos por el calentamiento del suelo. Esto no es así en las otras capas de la atmósfera, por ejemplo el O3 estratosférico es capaz de retener la mayor parte de la radiación ultravioleta.

Por la noche, al no recibirse radiación solar, el balance energético es negativo para la tierra que se enfría al emitir radiación al espacio, y va enfriando a sí mismo el aire que le es más próximo. Si la noche está despejada, esta radiación se pierde en el espacio, pero si el cielo esta cubierto de nubes, estas son capaces de captar la radiación infrarroja, y asimismo de reemitirla desde su base en dirección al suelo otra vez, por lo que una vez establecido el equilibrio el balance de radiación es nulo y l tierra no se enfría.

Así pues una condición necesaria para la formación de la inversión nocturna es que el cielo no esté cubierto. Pero hay otra condición, y es que el viento sea lo suficientemente débil para no originar movimientos de turbulencia vertical importantes, por que en este caso los movimiento verticales inducirá descenso adiabáticos de temperatura si son hacia arriba, y calentamientos adiabáticos si son hacia abajo, presentando en este caso la curva de estado junto al suelo el perfil del gradiente adiabático de –1ºK/Hm propio de la estratificación neutra.

Experimentalmente una velocidad de viento junto al suelo de alrededor de 2,5 ó 3 m/s suele ser suficiente para evitar inversiones térmicas, aunque ello depende también del perfil vertical de dicho viento. Las situaciones anticiclónicas que conllevan vientos débiles y cielos generalmente despejados son favorables a formar dichas inversiones, más potentes cuanto más larga sea la noche, es decir en otoño e invierno.

Como es lógico este tipo de inversión térmica se destruye durante el día debido al calentamiento solar que induce gradientes súper adiabáticos de temperatura junto al suelo y van minando la inversión desde abajo.

La evolución típica de la curva de estado en un día con inversión térmica nocturna se presenta en las siguientes figuras.
















2.6.Capa de Mezcla.
Llamaremos capa de mezcla al espesor de atmósfera junto al suelo en el que se dan procesos de turbulencias verticales. Intuitivamente es la altura hasta la que se dispersan los contaminantes.

Si los procesos de turbulencia son de origen mecánico debido a la cizalladura del viento la capa de mezcla puede ser muy grande, teóricamente hasta que cese la cizalladura. Por eso en la práctica cuando el viento crece rápidamente con la altura podremos considerar una capa de mezcla alta (superior a 1000 metros, desde un punto de vista de vigilancia de la contaminación carecerá de interés inmediato lo que ocurra más arriba).

Por el contrario la turbulencia mecánica originada en el rozamiento del aire con la rugosidad del terreno, edificios, etc. No suele inducir por sí sola capas de mezclas elevadas.

Típicamente se calculara la capa mezcla atendiendo a la capacidad de los movimientos de tipo convectivo, que serán función de la temperatura junto al suelo y de la curva de estado. A medida que se caldea el suelo por la insolación solar va creciendo la capa de mezcla, así es muy corriente usa como indicador diario de la capacidad dispersora de la baja atmósfera, la altura máxima diaria de la capa de mezcla; o mejor aún si se tienen suficientes datos el producto de esta altura por el viento medio en dicha capa, lo que da una idea del flujo de arrastre en la zona en que se encuentran esparcidos los contaminantes. E este producto la llamamos “factor de ventilación”.

La técnica para calcular la altura máxima de la capa de mezcla será la de trazar una paralela a la línea de evolución adiabática desde la temperatura máxima, y marcara la altura de mezcla en el cruce de la curva de estado.






2.7.Relación entre la forma de un penacho y la curva de estado
Después de todo lo dicho, se presentan ahora unas situaciones típicas que el lector relacionara fácilmente recordando que:


  • Las inversiones ( > 0) se consideran prácticamente infranqueables en ambos sentidos.

  • En un estrato estable (  ) la dispersión vertical es dificultosa.

  • Con estratificación neutra ( = ) la mezcla vertical existe en los dos sentidos.

  • En un estrato inestable ( < ) los movimientos verticales son muy activos en ambos sentidos.

No olvidar que el valor de  es negativo.

E




 > 0

 > 0

 = 

 = 

 < 

 = 

 = 

 > 



z
n los cuadros adjuntos a la curva de estado aparecen los correspondientes a  y z que representan las desviaciones típicas de las componentes horizontal y vertical del viento respectivamente. Como estas desviaciones son una medida de la turbulencia, serán unos parámetros de gran importancia en los modelos matemáticos que pretendan representar la dispersión de contaminantes en la atmósfera, llamados modelos de difusión que se estudiarán mas adelante.


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