Meteorologia de la contaminación del aire



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METEOROLOGIA DE LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE

Dr. Arturo Figueroa Montaño. Departamento de Física. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. Universidad de Guadalajara.


10/09/2008





COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA

La atmósfera consiste en una capa delgada de gases mezclados que cubren la superficie de la tierra, más del 99% de la masa total de la atmósfera se encuentra dentro aproximadamente de 30 km de la superficie de la tierra. La masa total de la atmósfera es de aproximadamente 5.14 x 1015 toneladas métricas.

La composición de la atmosfera ha venido cambiando de manera gradual a lo largo del tiempo, debido principalmente a los procesos naturales que ocurren en la tierra, así como a los muchos procesos antropogénicos introducidos por la especie humana. Entre los procesos naturales se encuentran algunos procesos biológicos como la respiración de lo animales, incluyendo los humanos que remueven oxígeno de la atmósfera y en turno producen dióxido de carbono (CO2). El proceso fotosintético de las plantas usa el CO2 para producir oxígeno, de esta manera regresando el O2 a la atmósfera. Otros procesos naturales incluyen los eventos geológicos como las erupciones volcánicas, que no únicamente inyectan cantidades masivas de partículas a la atmósfera, sino también grandes cantidades de CO2 y vapor de agua. Mientras que gran parte de la composición atmosférica es mantenida mediante estos procesos naturales, la interacción de las actividades humanas con la atmosfera tiene de igual manera implicaciones profundas sobre la composición atmosférica y como consecuencia sobre la calidad y continuidad de la vida sobre la tierra.

Para hablar de la composición de la atmosfera es necesario idealizar una parcela de aire seco y limpio, y en estos términos se nos facilita el hablar de componentes gaseosos permanentes y variables. De esa manera el primer término se refiere a que la concentración de gases es virtualmente constante cerca de la superficie de la tierra y hasta una altitud promedio de 80 km. Tal como se muestra en la tabla 1, el gas nitrógeno es el más abundante ocupando el 78% de la concentración en volumen, el segundo mas abundante es el oxigeno con el 21% del volumen. Así, juntos el oxígeno y nitrógeno constituyen el 99% del aire que respiramos. El tercer gas mas abundante es el argón, con una concentración un poco menos del 1%.



Tabla 1. Gases permanentes cerca de la superficie de la tierra. (Stanley, 2007)

Gas



Composición química

Porcentaje
(por volumen de aire seco)


Nitrogeno

N2

78.08

Oxigeno

O2

20.95

Argón

Ar

0.93

Neón

Ne

0.0018

Helio

He

0.0005

Hidrogeno

H2

0.00005

Xenón

Xe

0.000009

De manera distinta a los gases permanentes, en la atmosfera también ocurren otras numerosas sustancias de concentración variable las cuales se resumen en la tabla 2. Con excepción del vapor de agua, cada una de estas sustancia variables existen en a atmósfera en concentraciones mucho menores al 1% en volumen, por lo que su concentración generalmente se refiere en partes por millón (ppm) o partes por billón (ppb) por volumen. Además estas sustancias variables no únicamente incluye gases, sino también materia particulada; con ello quedando claro que el aire que respiramos no es simplemente un compuesto de moléculas aisladas, sino que es una mezcla compleja de gases, líquidos y sólidos.
Tabla2. Sustancias variables de la atmosfera cerca de la superficie de la tierra. (Stanley, 2007)


Sustancia

Composición química

Porcentaje
(por volumen de aire seco)


ppm
(partes por millón)


Vapor de agua

H2O

0 - 4

-------

CO2

CO2

0.035

350

Metano

CH4

0.00017

1.7

Oxido nitroso

N2O

0.00003

0.3

Ozono

O3

0.000004

0.04

Materia particulada

-------

0.000001

0.01

Flouroclorocarbonos (CFCs)

-------

0.00000001

0.0001






























































































































































































La tabla 2 muestra que la sustancia más variable en la atmosfera es el vapor de agua con una concentración en volumen de 0-4 %. La mayoría de esta entra a la atmósfera vía evaporación y transpiración. La primera ocurre cuando una molécula de cualquier superficie de agua gana suficiente energía cinética (a menudo por la radiación solar) para romper el enlace que mantiene a las moléculas juntas, y de esta forma escapar a la atmosfera como una molécula aislada de vapor de agua. Por otro lado la transpiración ocurre por las diferencias de presión que existen en el interior de las células de las hojas de las plantas y el vapor de agua de la atmosfera. Durante el día los poros (estomata) de las hojas de las plantas se abren como respuesta a la luz solar y por la diferencia de presión del vapor de agua entre el interior de la hoja y la atmosfera, el vapor de agua viaja de zonas de alta presión a las de baja presión, aportando así humedad a la atmosfera. El contenido de agua en la atmosfera se expresa como humedad relativa (RH) usualmente expresado como porcentaje.

Comparando las concentraciones del resto de las sustancias variables parecieran ser no tan importantes, aunque algunos de ellos como los CFCs han mostrado pequeños incrementos pero de consecuencias importantes para la vida en el planeta. Como ejemplo los profesionales de la calidad del aire han reconocido que esa fracción tan pequeña de CFCs esta causando daños a la atmosfera, lo que consecuentemente tendrá efectos a largo plazo sobre la vida en el planeta, al ser el causante de la destrucción del ozono estratosférico.

Hasta este punto hemos revisado la constitución de la atmosfera en términos generales, nombrando y caracterizando algunas de las varias sustancias que la conforman. Sin embargo, la atmosfera no es simplemente un gran reservorio que principalmente almacena las sustancias descritas. Sino que mas bien la podemos ver como un baso de precipitado de un laboratorio, lleno con mucho diferentes reactivos químicos. Unas pocas de estas sustancias que son cruciales al problema de la calidad del aire son los aerosoles y los contaminantes.

Los aerosoles se refieren a partículas líquidas (a excepción del vapor de agua y hielo) y sólidas que están suspendidas en el aire, tales como; polen, polvo y smog. Por otro lado los contaminantes se refieren a cualquier sustancia (líquida, solida, o gas) que tienen el potencial de producir efectos adversos a la salud humana y otros animales, daño a la vida de las plantas, o causan daño a estructuras físicas.



LA IMPORTANCIA DE LA ATMÓSFERA: La atmósfera es una capa protectora que hace posible la vida en la tierra y la protege del ambiente hostil del espacio exterior. Es la fuente de dióxido de carbono para la fotosíntesis de las plantas y de oxígeno para la respiración. Proporciona el nitrógeno que las bacterias fijadoras y las plantas productoras de amoniaco emplean para producir el nitrógeno en lazado químicamente, que es un componente esencial de las moléculas de los seres vivos. La atmosfera es también una parte básica del ciclo hidrológico, transporta el agua de los océanos a la tierra, actuando así como condensador en un inmensa destilería alimentada por la energía solar.

En su papel principal como escudo protector, la atmósfera absorbe la mayoría de los rayos cósmicos del especio exterior, y protege los organismos de sus efectos. También absorbe la mayoría de la radiación electromagnética del sol, permitiendo la transmisión de cantidades significantes de radiación solo en las regiones de 300-2500 nm (radiación del ultravioleta cercano, del visible y del infrarrojo cercano) y de 0.01-40 m (ondas de radio). Además la atmosfera reabsorbe mucha de la radiación infrarroja que es re-emitida la espacio, estabilizando así la temperatura de la tierra, impidiendo la temperaturas extremas que ocurren en planetas y lunas que carecen de atmosferas sustanciales.



ESTRATIFICACIÓN DE LA ATMÓSFERA: La atmósfera se estratifica de acuerdo con la relación temperatura - densidad como resultado de las interacciones entre los procesos físicos y fotoquímicos en el aire (Figura 1).

La capa mas baja de la atmósfera que se extiende desde el nivel del mar hasta una latitud de 10-16 km es la TROPOSFERA, caracterizada por una composición generalmente homogénea de los gases permanentes y donde la temperatura decrece con la altitud. La magnitud de la disminución de la temperatura para el aire seco con altitud creciente se conoce como la velocidad de lapso adiabático que tiene un valor de 9.8 K km-1. Sin embargo como la atmosfera contiene vapor de agua que se condensa según la masa de aire sube, liberando calor de vaporización y disminuyendo la velocidad del lapso hasta un promedio de aproximadamente 6.5 K km-1.



Figura 1. Las capas en la atmósfera. (Ritter, 2006)

En el límite superior de la troposfera (tropopausa) ocurre una temperatura mínima de aproximadamente -56°C, esta pudiendo variar en altitud hasta en un km o mas, dependiendo de la temperatura atmosférica de la superficie terrestre subyacente, de la latitud y de la meteorología. La composición mas o menos homogénea en esta capa se debe a la mezcla constante de las masas de aire por las corrientes de convección impelidas por la situación inestable con el aire más frio encima del aire más cálido.

Por el contrario el contenido de vapor de agua en la troposfera es sumamente variable debido a la formación de las nubes, la precipitación y la evaporación de agua de los sistemas acuosos terrestres. Las bajas temperaturas registradas en la tropopausa sirven como barrera para que el vapor de agua no escape al condensarlo en hielo. Si alcanzara altitudes mayores este se fotodisociaría por acción de la intensa radiación ultravioleta de alta energía, por lo que el hidrógeno producido escaparía de la atmosfera terrestre y se perdería. Gran parte de los gases hidrógeno y helio presentes en la atmósfera de la tierra se pierden por este proceso.



ESTRATÓSFERA: Capa que esta directamente encima de la troposfera. Aquí la temperatura crece con la latitud hasta un máximo de aproximadamente -2°C, lo que produce poco mezclado vertical debido a la presencia del ozono, que puede alcanzar un nivel de alrededor de 10 ppm en volumen en la zona media de la estratosfera (Figura 1). El efecto de calentamiento es causado por la absorción de energía de la radiación ultravioleta por el ozono.

MESOSFERA: En esta capa el comportamiento de la temperatura es inverso, principalmente debido a la ausencia de especies absorbentes de radiación. La temperatura más baja puede alcanzar valores promedio de hasta -92°C a una latitud de alrededor de 85 km (Figura 1). Las regiones más altas de la mesosfera, definen una región llamada exosfera donde predominantemente dominan iones y moléculas que fácilmente pueden escapar de la atmósfera.

TERMOSFERA: Se extiende hasta los límites exteriores lejanos de la atmosfera, aproximadamente 500 km. La temperatura en este nivel se incrementa con la altitud hasta llegar a los 1200 °C. Este incremento se debe a que la absorción de las intensas radiaciones solares se encuentra limitada por unas pequeñas cantidades de oxígeno, siendo los principales componentes atmosféricos el nitrógeno y el oxígeno. A estas altitudes extremas las moléculas de gas se encuentran ampliamente separadas, haciendo la densidad del aire muy baja.

PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y MASA EN LA ATMOSFERA: Las características físicas y químicas de la atmósfera y el balance de calor de la tierra, están determinados por los procesos de transferencia de energía y masa.

La energía solar entrante está mayoritariamente en la región visible del espectro (Figura 2). La luz solar azul de longitud de onda mas corta es dispersada con relativa intensidad por las moléculas y partículas en la atmósfera superior, lo cual explica porque el cielo es azul según se ve por la luz dispersa y parece rojo por la luz transmitida, particularmente alrededor del ocaso y la salida del sol y cuando la atmosfera contiene un nivel alto de partículas.



Figura 2. Regiones del espectro visible de la luz. (Ritter, 2006)

El flujo de energía solar que llega a la atmósfera es de 1.34 x 103 W por metro cuadrado (constante solar). De esta radiación, cerca de la mitad alcanza la superficie de la tierra directamente o después de ser dispersada por las nubes, los gases atmosféricos o las partículas. La segunda mitad restante, se refleja directamente hacia atrás o es absorbida en la atmósfera y su energía se irradia al especio posteriormente como radiación infrarroja (Figura 3).

La energía que alcanza la superficie terrestre es absorbida y retornada al especio para mantener el balance de calor. El transporte de energía, que es crucial para la eventual re-irradiación de energía desde la tierra se efectúa por tres mecanismos principales: La conducción, la convección y la radiación.



Figura 3.- El balance de energía en la atmósfera (Ritter, 2006).

CONDUCCIÓN:La conducción de energía ocurre a través de la interacción de átomos o moléculas adyacentes, sin que se mueva el cuerpo material, y es un medio relativamente lento de transferir energía a la atmósfera.

CONVECCIÓN: La convección involucra el movimiento de masas enteras de aire que pueden estar relativamente calientes o frías. Es el mecanismo por el cual ocurren las variaciones abruptas de temperatura cuando se mueven grandes masas de aire a través de una región. Así mientras que hay conducción de calor sensible, debido a la energía cinética de las moléculas, la convección lleva calor latente en forma de vapor de agua que libera calor cuando se condensa. Una fracción apreciable del calor de la superficie de la tierra se trasporta a la nubes en la atmósfera por conducción y convección, antes de perderse finalmente por radiación.

RADIACIÓN: La radiación de energía en la atmósfera de la tierra ocurre a través de la radiación electromagnética. Siendo esta la única manera en que se transmite energía a través de un vacio, por consiguiente es el medio por el que toda la energía que debe perderse del planeta para mantener su balance de calor, regrese finalmente al espacio en forma de radiación infrarroja. De esta manera, la tierra pierde energía por radiación electromagnética de una longitud de onda mucho mayor, que la radiación por la que recibe la energía, un factor crucial en el mantenimiento del balance de calor de la tierra y susceptible de ser perturbado por las actividades humanas.

TRANSFERENCIA DE MASA: La ciencia que se encarga del estudio de la transferencia de masa en la atmosfera es la meteorología, ciencia de los fenómenos atmosféricos que abarca el estudio del movimiento de las masas de aire, así como las fuerzas físicas en la atmosfera: calor, viento y transiciones de fase del agua, principalmente de líquido a vapor o viceversa. Desde el punto de vista de la contaminación del aire resulta crucial la comprensión de los procesos de transferencia de masa en la atmósfera, pues los fenómenos meteorológicos determinan si los contaminantes emitidos por una fuente puntual, se elevan en la atmosfera, o se dispersan o depositan cerca de la fuente donde puede causar el máximo daño.

INVERSIONES TERMICAS Y CONTAMINACIÓN DEL AIRE: El movimiento complicado del aire a través de la superficie de la tierra es un factor crucial en la creación y la dispersión de los fenómenos de contaminación atmosférica. Cuando el movimiento del aire cesa puede ocurrir un estancamiento, con el resultante aumento de los contaminantes en regiones localizadas. Aunque la temperatura del aire relativamente cerca de la superficie de la tierra normalmente disminuye con el aumento de la altitud, ciertas condiciones atmosféricas pueden producir la condición opuesta, esto es temperatura creciente con aumento de la altitud (Figura 4a). Tales condiciones se caracterizan por una alta estabilidad atmosférica y se conocen como inversiones de temperatura. Debido a que limitan la circulación vertical del aire, las inversiones de temperatura producen un estancamiento del aire, encerrando a los contaminantes atmosféricos en áreas localizadas.

Figura 4. Perfil de temperatura mostrando una inversión térmica (a), y la consecuente acumulación de contaminantes atmosféricos (b). (Figueroa, 2005).

Las inversiones pueden ocurrir de varias maneras, como cuando una masa de aire cálido pasa por encima de otra de aire frio. Las inversiones de radiación se forman con mayor frecuencia en la tranquila atmosfera nocturna, cuando la tierra ya no recibe la radiación solar. El aire mas cercano a la tierra se enfría más rápidamente que el aire que está más arriba en la atmósfera, que permanece cálido y por lo tanto menos denso (figura 4 b). Las inversiones de subsidencia, a menudo acompañadas por las inversiones de radiación, pueden formarse en la vecindad de un área de alta presión superficial, cuando el aire de los niveles altos desciende para tomar el lugar del aire de la superficie que sopla hacia afuera de la zona de alta presión. El aire que desciende se calienta a medida que va comprimiéndose y puede permanecer como capa cálida varios cientos de metros sobre el nivel del terreno. La inversión marina se produce durante los meses de verano, cuando el aire fresco cargado con humedad del océano sopla hacia la costa y bajo el aire cálido y seco de tierra adentro.

LA ISLA DE CALOR: El microclima en áreas locales y cerca de la superficie de la tierra es a menudo muy diferente del clima global. Un efecto particularmente marcado en el microclima es el inducido por la urbanización. En un escenario rural, la vegetación y los sistemas acuosos tienen un efecto moderador, absorbiendo cantidades importantes de energía solar y liberándolas lentamente. La piedra, el hormigón y el pavimento de asfalto de las ciudades tiene el efecto opuesto, absorben fuertemente la energía solar y re-irradian el calor al microclima urbano. Además de lo anterior, las actividades humanas generan cantidades importantes de calor y producen cantidades importantes de CO2 y otros gases invernadero que retienen el calor. El resultado neto de estos efectos es que la ciudad está rodeada por una cúpula de calor en que la temperatura es hasta 5°C mayor que en las áreas rurales circundantes Figura 5.

Figura 4. La isla de calor característica en la zona urbana. (Arnfield, 2003)

El aire cálido ascendente encima de una ciudad trae brisa del área circundante y causa un efecto invernadero local que probablemente es contrabalanceado en gran parte por la reflexión de la energía solar entrante, gracias a la presencia de la materia particulada que está sobre las ciudades. En conjunto comparando con las condiciones climáticas en los ambientes rurales cercanos, el microclima de la ciudad es más caluroso, más brumoso y cubierto con más capas de nubes durante un porcentaje mayor del tiempo y está sujeto a más precipitaciones, aunque generalmente es menos húmedo.

BIBLIOGRAFIA

Arnfield A.J. Review. (2003). Two decades on urban climate research: a review of turbulence, exchanges of energy and water, and the urban heat island. International Journal of Climatology. Vol 23, 1-26 pp.

Figueroa M.A. (2005). Investigación de los patrones meteorológico-climáticos y los patrones de contaminación atmosférica de la zona metropolitana de Guadalajara. Tesis Doctorado en Ciencia de la Tierra. Departamento de Física, Universidad de Guadalajara. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. 172 pp.

Ritter M.E. (2006). The Physical Environment: an Introduction to Physical Geography. Recurso en línea http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/title_page.html. Agosto 18, 2008.

Stanley E.M. (2007). Introducción a la química ambiental. Reverté ediciones, México. 725 pp.

Warner W. (2006). Contaminación del aire: origen y control. LIMUSA, México. 650 pp.



Boubel R.W., Fox D.L., Turner D.B., and Stern A.C. (1994). Fundamental of air pollution. Academic Press, United Kingdom. 574 pp.

Davis M.L., Cornwell D.A. (2008). Introduction to environmental engineering. McGraw Hill, New York. 1008 pp.

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