Tema-13 FÍsica de la atmósfera



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El aumento de la Radiación Ultravioleta
El ozono estratosférico es un escudo efectivo, que nos protege de la más dañina radiación ultravioleta (UVB). Para explicar el aumento de la radiación ultravioleta incidente sobre la Tierra necesariamente debemos referirnos al Ozono Estratosférico.

Nuestro país se encuentra afectado por la disminución de la capa de ozono que se registra sostenidamente a nivel mundial. El hemisferio Norte muestra una disminución paulatina acumulada del 5%, respecto del año 1982, mientras que en el hemisferio Sur decae aproximadamente un7%. Esta magnitud promedio, no es igual en todas partes, pues existen regiones, como la comprendida entre Puerto Montt y la Península Antártica en que la disminución acumulada estimativa será alrededor del 13%

Ahora que se toma conciencia sobre el gran daño que le hemos causado al ozono, se debe tomar medidas sobre la consecuencia aún más radical, la radiación emitida por el Sol, el incremento progresivo de la radiación ultravioleta(UV) que nos llega prácticamente de una manera directa, pues el filtro se está adelgazando. Por eso más que nunca hoy se debe ser moderado al momento de exponerse al Sol de manera directa, para evitar por cierto, que esta práctica constituya un riesgo para la salud.

El ozono es un compuesto inestable de tres átomos de oxígeno y se encuentra en la estratósfera, a 25 km de la Tierra aproximadamente, y de unos 30 km de espesor. Su importancia radica en que actúa como un poderoso filtro para la radiación UV, lo que permite la existencia de vida dentro del planeta. Este gas se crea y se destruye de manera natural por procesos atmosféricos en los que interviene la radiación ultravioleta.

En la segunda mitad de la década de los 80 se descubrió un importante adelgazamiento en la capa de ozono sobre la Antártica; posteriormente se comprobó que ocurría un fenómeno similar sobre el Polo Norte. Es así como se descubrió que el ozono se ha estado destruyendo paulatinamente. Debido a la lentitud de los procesos fotoquímicos el agujero ha aumentado de manera continua, y en estos momentos se está produciendo una reducción prácticamente global de ozono atmosférico. La mayor reducción se observa en las latitudes medias del hemisferio sur en la época otoño invierno.

De acuerdo a las investigaciones realizadas la principal causa de la destrucción del ozono estratosférico, y el consecuente adelgazamiento de la Capa de Ozono son la contaminación con ciertos compuestos fluorocarbonados presentes en los aerosoles y sistemas de aire acondicionado y refrigeración, por mencionar algunos. Su destrucción es más sencilla de lo que se cree

Tal como puede apreciarse en la gráfica la radiación ultravioleta arranca una molécula de cloro de una molécula de clorofluorocarbono; este átomo de cloro, al combinarse con una molécula de ozono la destruye, para luego combinarse con otras moléculas de ozono y eliminarlas. Este dañino proceso es capaz de destruir hasta 100.000 moléculas de ozono por cada átomo de cloro y solo se detiene cuando este se mezcla con algún compuesto químico que lo neutraliza.


ALTERACIONES DEBIDAS A LA CONTAMINACIÓN
Definiremos la contaminación atmosférica como la impurificación de la atmósfera por inyección y permanencia temporal en ella de materias, gaseosas, líquidas o sólidas, ajenas a su composición normal o en proporción claramente superior a la de aquella.

La contaminación derivada de la actividad humana se suele designar como artificial o antropogénica, para distinguirla de de la contaminación natural, originada por catástrofes terrestres, tales como terremotos, volcanes, tormentas, tempestades, o bien por fenómenos naturales, como el depósito de polen, moho, esporas, etc.

La segunda parte de la definición de la contaminación atmosférica considera la permanencia de los contaminantes en la atmósfera durante cierto tiempo, que está relacionado con la capacidad de ésta para dispersarlos, con su reactividad química y con el lavado de la atmósfera que efectúa la lluvia, efectos todos que contribuyen a ir reduciendo la concentración de contaminantes

Podemos decir que la contaminación antropogénica surge cuando la humanidad comienza a dominar el fuego, con los consiguientes cambios en la flora y en la fauna del territorio. De esta manera, y en el transcurso de los milenios, fueron teniendo lugar las primeras modificaciones del medio producidas de una forma artificial: quema de bosques, monocultivos agrícolas. Ganadería extensiva, emisión a la atmósfera de gases tóxicos, vertido de desechos en ríos, lagos y mares, etc.

Nada diferente, en definitiva, de lo que sucede en la actualidad, salvo en dos aspectos muy significativos:


  • En épocas pasadas la población mundial era muy reducida

  • Las necesidades energéticas de la población, medidas en consumo de energía por habitante y día, eran también muy pequeñas.

Estos dos factores simultáneos hicieron que hasta bien entrado el siglo XVIII la contaminación apenas implicase problema medioambiental alguno. Sin embargo, por estas fechas tuvo lugar la llamada Revolución Industrial, que significó un considerable incremento, tanto en la población, explosión demográfica, como en el consumo de energía, comenzando a crecer ambos de una forma exponencial, lo que propició el paso de una sociedad esencialmente agrícola a otra marcadamente industrial, sustituyéndose progresivamente el trabajo manual por el mecánico. Resultó decisivo, en este aspecto, la generalización del uso de la máquina de vapor que dio lugar a la utilización en gran escala de combustibles fósiles, impulsándose también la industria dl carbón y del hierro.

Como consecuencia del aumento de población, se hicieron mayores demandas de productos básicos, alimentación, vestido, calzado, etc, y energéticos, comenzando a identificarse en el subconsciente colectivo los términos de progreso y consumo, factor este último estrechamente ligado a una intensa actividad industrial que requiere un consumo masivo de energía.


El problema surge al considerar que la mayor parte de esta energía procede de quemar el carbón, el petróleo y el gas natural, cuya combustión da origen a productos de desecho de carácter marcadamente peligrosos para los seres vivos, y causa un deterioro muy importante del entorno medioambiental.
En los procesos que componen la contaminación artificial hay que señalar en primer término la emisión de contaminantes, que se lanzan a la atmósfera y permanecen en ella durante un tiempo más o menos largo, tiempo de residencia.

Responsables de la emisión son las centrales térmicas que queman carbón o combustibles derivados del petróleo, las industrias de diversas clases, los vehículos automóviles y otros medios de transporte, incluyendo ferrocarriles, barcos, aviones, y finalmente la calefacción y las actividades domésticas.

La segunda parte de la definición de la contaminación atmosférica considera la permanencia de los contaminantes en la atmósfera durante cierto tiempo, que está relacionado con la capacidad de ésta ara dispersarlos, con su reactividad química y con el lavado de la atmósfera que efectúa la lluvia, efectos todos que contribuyen a ir reduciendo la concentración de contaminantes.
El estudio de la contaminación atmosférica ha de incluir el de los efectos de los contaminantes, tanto sobre seres vivos como sobres estructuras, metálicas, de cemento, ladrillo, piedra, etc, suelos, o sobre las propiedades de la atmósfera misma y/o difusión de la radiación solar y terrestre, alteración del balance de calor del sistema tierra-atmósfera con las posibles influencias sobre el tiempo y el clima locales etc.

Las concentraciones de sustancias contaminantes en el aire, en el agua, en los suelos, suelen ser muy pequeñas y por esta razón en la Química Ambiental se suelen utilizar como unidades de concentración: http://portal.sochipe.cl/subidos/noticias/fotos/297452233_a07e9aa5f0.jpg



ppt=partes por mil, ppm= partes por millón;

ppb=partes por billón;

g/m3=microgramos por metro cúbico

g/cm2=microgramos por centímetro cuadrado

Además del nitrógeno, oxígeno y argón, los gases que integran el aire, aunque en muy pequeña proporción, desempeñan un papel crucial en los procesos que se verifican en la atmósfera.


Considerando un aire no contaminado antropogénicamente, estos gases son:

  • Dióxido de carbono(CO2), procedente de la respiración de los seres vivos

  • Metano(CH4) y amoniaco(NH3), producidos por fermentaciones anaeróbicas

  • Ácido clorhídrico(ClH) y óxidos de azufre, que tienen su origen ene erupciones volcánicas

  • Óxido de nitrógeno y Ozono, producidos por olas descargas eléctricas en las tormentas

  • También debemos considerar que los incendios forestales, que en ocasiones se producen de una forma natural, dan lugar a dióxidos de carbono, vapor de agua, hidrocarburos etc.

Las actividades humanas pueden alterar la composición de la atmósfera, dando lugar a modificaciones importantes de sus propiedades físicas y químicas, hasta el punto de causar efectos nocivos sobre los seres vivos, e incluso sobre materiales construidos. Se dice, en estos casos, que existe contaminación atmosférica. Por regla general, los contaminantes no se producen aisladamente, sino de una forma conjunta, dando lugar a que se incrementen sus efectos prejudiciales. Así, los motores de los automóviles emiten monóxido de carbono(CO), óxidos de nitrógeno e hidrocarburos, así como partículas sólidas procedentes de la combustión.

Una vez en la atmósfera, todas estas sustancias son transportadas a regiones relativamente distantes del centro emisor, diluyéndose de esta forma su impacto ambiental. Pero más tarde pueden regresar de nuevo a la superficie terrestre de dos maneras distintas:


  1. Por sedimentación, si se encuentran en fase sólida( deposición seca)

  2. Incorporadas a la lluvia( deposición húmeda)

Los contaminantes atmosféricos pueden ser:




  • Primarios: una vez producidos pasan a la atmósfera. Algunos de ellos se asocian a gotas de agua o núcleos higroscópicos y/o sufren reacciones químicas que conducen a productos insolubles, terminando su vida como partículas.

  • Secundarios: no son directamente inyectados en la atmósfera, sino que se producen por reacción química entre los que sí lo son (primarios) y los gases atmosféricos. Son más peligrosos que los anteriores. Entre ellos se puede citar el Ozono que aparece como consecuencia de complicados procesos fotoquímicos, es decir, inducidos por la luz solar, entre óxidos de nitrógeno e hidrocarburos.


Entre las sustancias contaminantes más importantes podemos destacar los siguientes:

CO, SO2, SO3, NO2, NO, hidrocarburos no saturados y aromáticos, CFH, clorofluorometanos, m-partículas (Si, Be, As, Cr, Pb, asbesto, humos, etc.). Lluvia ácida, reacciones fotoquímicas y radicales libres, agentes oxidantes y ozono.


1.-Monóxido de carbono (CO): la mayor parte procede de la oxidación del metano producido por la putrefacción de la materia orgánica (CH4 + O2→CO+H2O+H2), también se origina antropogénicamente en la combustión de combustibles fósiles, en especial gasolina y gasoil en los motores de explosión. Por este motivo en las zonas urbana de tráfico intenso existen concentraciones muy elevadas de este contaminante cuya presencia en el aire en concentraciones superiores a 600ppm resulta mortal para el organismo humano.

El monóxido de carbono (CO): es un gas inodoro e incoloro. Cuando se lo inhala, sus moléculas ingresan al torrente sanguíneo, donde inhiben la distribución del oxígeno. En bajas concentraciones produce mareos, jaqueca y fatiga, mientras que en concentraciones mayores puede ser fatal.

2.-Óxidos de nitrógeno, los más importantes son el N2O, que aunque no es tóxico, se descompone en la atmósfera por la acción de la luz originando NO.

2N2O → N2 + 2NO El NO y el NO2 que son tóxicos y contaminantes, en concentraciones superiores a 10ppm inhiben la fotosíntesis de las plantas, siendo capaces de convertirse en ácido nítrico (HNO3) por medio de oxidantes como el ozono o el radical oxihidrilo (OH•)

NO + O3→ NO2+ O2 → NO2+OH → HNO3

Los óxidos de nitrógeno forman un importante grupo de gases contaminantes. Aunque hay diversos, son conocidas ocho formas de óxido de nitrógeno distintas, los más importantes, en cuanto a sus efectos contaminantes, son el dióxido de nitrógeno (NO2) y el monóxido de nitrógeno (NO). La importancia del resto es menor ante estos dos.

Los óxidos de nitrógeno se generan a causa de las altas temperaturas que se producen en los procesos de combustión, sobre todo en combustibles fósiles. Las altas temperaturas permiten la combinación directa del oxígeno y el nitrógeno de la atmósfera y se produce monóxido de nitrógeno (NO). Este gas se oxida posteriormente y da dióxido de nitrógeno (NO2). De forma natural, se producen como consecuencia de incendios forestales y erupciones volcánicas.

En las zonas de gran aglomeración de tránsito, los automóviles llegan a producir cerca del 60 % del total de óxidos de nitrógeno. Últimamente la industria del automóvil hace un importante esfuerzo en el sentido de instalar, en sus modelos, catalizadores que aceleren la descomposición del ácido nítrico en sus componentes originales, nitrógeno y oxígeno, para rebajar la emisión de este contaminante. Estos gases originan la disminución de la visibilidad, la corrosión de materiales y la disminución en el crecimiento de algunas especies vegetales de importancia agrícola, son los efectos principales producidos por estos compuestos.

En una primera reacción, los óxidos de nitrógeno se transforman, en la atmósfera en ácido nítrico o nitratos. Este ácido, muy corrosivo, es arrastrado por el agua de lluvia y llega a ser uno de los constituyentes de las lluvias ácidas. Los óxidos de nitrógeno intervienen también en la destrucción de la capa de ozono. Aunque actúen sólo como catalizadores, pequeñas cantidades de óxido pueden destruir grandes cantidades de ozono hasta que no son eliminados de la estratosfera por un lento proceso natural. En el caso de la aviación, los reactores inyectan los óxidos de nitrógeno directamente a la estratosfera y agravan de esta manera el efecto.
Destrucción del ozono atmosférico:

O3 + h (< 320 nm) →  O + O2  

O + O3 ------------------>  O2 + O2  

  

En la primera reacción se observa que las moléculas de ozono absorben radiaciones ultravioleta de menos de 320nm, rompiéndose en moléculas de oxígeno más átomos de oxígeno libres. Los átomos de oxígeno libres reaccionan con más moléculas de ozono, como muestra la segunda reacción, formándose oxígeno molecular.  Esta segunda reacción es bastante lenta en sí misma, pero diversas sustancias como los óxidos de nitrógeno (NO y NO2), el H, OH, y H2O y el cloro y sus óxidos, Cl, ClO, ClO2, actúan como catalizadores acelerando la destrucción del ozono. En esta reacción es donde inciden de forma más relevante las sustancias de origen humano que destruyen el ozono (O3)




3.-Óxidos de azufre, se producen al quemarse combustibles sólidos. El carbón de hulla que se quema en las plantas térmicas de generación de energía eléctrica contiene de un 1 al 3% de azufre, en gran parte en forma de minerales tales como las piritas. Durante la combustión el azufre se convierte en dióxido de azufre.



4FeS2(s) +11 O2(g)→ 2Fe2O3(s) + 8 SO2(g)

Las fuentes emisoras de SO2 pueden ser naturales (producen el 55,2%), como la descomposición de la materia vegetal o el efecto de los volcanes, y antropogénicas (44,7%), como las centrales térmicas (70% de las emisiones antropogénicas), consumición de derivados del petróleo (16%), craqueo del petróleo (4%), la siderurgia (4,5 %).


Hay que tener en cuenta que el efecto contaminante de las fuentes naturales es mínimo, ya que la emisión de SO2 está muy dispersada por toda la tierra. En cambio las emisiones antropogénicas están muy concentradas, por lo que son estas las que se deben reducir para frenar el problema, exceptuando la madera, contienen azufre.

Los principales emisores de dióxido de azufre(SO2) son: las centrales eléctricas y las industriales, especialmente aquellas que elaboran metales como plomo, cromo y zinc, también las instalaciones domiciliarias de agua caliente, las industrias químicas, las de petróleo y los buques.

Los procesos metalúrgicos constituyen otra fuente principal de óxidos de azufre. Muchos de los metales pesados que existen en la naturaleza en forma de sulfurosos, éstos minerales se calcinan en aire para convertirlos en óxidos o metales libres.

2PbS(S) + 3 O2(g) → 2PbO(S) + 2 SO2g) Cu2S(S) + O2(g)→ 2Cu(S) + SO2(g)

El dióxido de azufre, el trióxido de azufre y el ácido sulfúrico destruyen la vegetación y sus residuos son arrastrados por los vientos. El comportamiento de las especies vegetales a la acción de esta toxicidad es muy variable. Las plantas de hojas grasas son más sensibles, mientras que las leñosas son más resistentes.

Los niños y jóvenes son especialmente sensibles a los efectos irritantes del dióxido de azufre. El aire contaminado agrava las enfermedades del aparato respiratorio.

El tiempo de permanencia en la atmósfera de los contaminantes sulfurados, se estima entre 5 y 40 días y una de las formas de eliminarlos es a través de las precipitaciones pluviales.

4.-Hidrocarburos y sus derivados. Los hidrocarburos entran directamente en la atmosfera en forma de gases emitidos por las refinerías de petróleo o por evaporación proveniente de os tanques de combustible de los automóviles. La fuente más importante de ellos son los escapes de los automóviles, que contiene cantidades importantes de hidrocarburos sin quemarse aun. Un alto porcentaje de los hidrocarburos contenidos en los gases de escape son las olefinas producidas por descomposición térmica (cracking) de las parafinas, en los límites de la gasolina de C5 a C10. Hay que mencionar, además de los derivados orgánicos halogenados, utilizados como disolvente, propulsores de aerosoles y en circuitos de refrigeración, que se vierten en la atmósfera como residuos, y cuyos productos de degradación son los responsables, en gran medida, de la destrucción de la capa de ozono.

5.-Particulas sólidas de compuestos no volátiles. En la atmósfera existen partículas sólidas de procedencia muy diversa: erupciones volcánicas, erosión del suelo, incendios forestales, combustiones de productos petroquímicos, emisiones industriales, etc, siendo su concentración especialmente elevada en las zonas urbanas. Estas partículas terminan por depositarse en la superficie de la Tierra, efectuando gravemente a los vegetales, pues taponan las esporas impidiendo la fotosíntesis y la respiración. Si su tamaño es del orden de la micra, son capaces de penetrar en los alveolos pulmonares y repercutir negativamente en el aparato respiratorio de los seres humano.

Según su tamaño pueden permanecer suspendidas en la atmósfera de uno a tres días, las de 10 micrómetros o más hasta varios días o semanas, las más pequeñas. Algunas de estas partículas son especialmente tóxicas para los humanos y, en la práctica, los principales riesgos para la salud humanas por la contaminación del aire provienen de este tipo de polución, especialmente abundante en las ciudades.

Al respirar inhalamos los gases, vapores y partículas que hay en el aire. La composición de las partículas en suspensión puede ser una mezcla muy variada: por ello se clasifican según su medida y según como se comportan al respirar, y no tanto por lo que contienen. Las partículas de diámetro aerodinámico igual o inferior a 10μm (PM10) suelen llegar más allá de la garganta. Las que tienen un diámetro igual o inferior a 2,5μm (PM2,5) pueden llegar hasta los pulmones. Finalmente, las partículas ultrafinas, con un diámetro igual o inferior a 0,1μm, pueden llegar a pasar del alvéolo pulmonar a la sangre.

Las partículas ultrafinas probablemente son capaces de causar más problemas que las más grandes y pueden comportar riesgo de morir por enfermedad isquémica del corazón o por arritmia letal. Parece que los pulmones dejan pasar fácilmente estas partículas del aire inspirado hasta la sangre.

También parece que un aumento en la concentración de PM2,5 causa un aumento de la frecuencia cardiaca y más riesgo de sufrir arritmia.

Se suelen representar por PMx donde x se refiere al diámetro de la partícula en m, como PM2,5


6.-Cotaminación atmosférica y la lluvia ácida

La lluvia ácida presenta un pH menor (más ácido) que la lluvia normal o limpia.  Constituye un serio problema ambiental ocasionado principalmente por la contaminación de hidrocarburos fósiles. Estos contaminantes son liberados al quemar carbón y aceite cuando se usan como combustible para producir calor, calefacción o movimiento (gasolina y diesel).

 El humo del cigarro es una fuente secundaria de esta contaminación, formada principalmente por dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx).  Las erupciones volcánicas y los géiseres contribuyen con una pequeña cantidad de estos contaminantes a la atmósfera.

 La lluvia ácida se forma generalmente en las nubes altas donde el SO2  y los NOx  reaccionan con el agua y el oxígeno, formando una solución diluida de ácido sulfúrico y ácido nítrico. La radiación solar aumenta la velocidad de esta reacción.


SO3+H2O → H2SO4 y 2NO2+H20 → HNO3 + HNO2

La lluvia, la nieve, la niebla y otras formas de precipitación arrastran estos contaminantes hacia las partes bajas de la atmósfera, depositándolos sobre las hojas de las plantas, los edificios, monumentos y el suelo.

A través del ciclo hidrológico, el agua se mueve en plantas y animales, ríos, lagos y océanos, evaporándose a la atmósfera y formando nubes que viajan empujadas por el viento, de tal suerte que si transportan contaminantes, éstos pueden alcanzar casi cualquier lugar sobre la superficie terrestre.

 Una lluvia ¨limpia¨ es imposible de despojar de partículas de polvo y polen y de un pH cercano al 5.6 (ligeramente ácido). Al adicionarse SO2 y NO el pH se hace fuertemente ácido, por los ácidos sulfúrico y nítrico formados en la atmósfera.

Los contaminantes pueden depositarse también en forma seca, como gas o en forma de pequeñas partículas. De hecho, casi la mitad de la acidez de la atmósfera se debe a este tipo de deposición.

El viento se encarga de empujar estos contaminantes sobre los edificios, el suelo, el campo y aún, hacia nuestro interior con el aire que respiramos. Cierta parte de estos contaminantes la podemos ingerir con los alimentos a los que ha llegado polvo y gas.

Los efectos de la lluvia ácida son:


  1. Modificación de algunos procesos físico-químico que tienen lugar en el suelo: por ejemplo un aumento de solubilidad de determinadas sales de cationes tóxicos, plomo, cinc, cadmio, aluminio, etc, que quedan de esta forma incorporados al terreno.

  2. Daños en la vegetación, habiendo sido destruidas ingentes masas forestales en lagunas zonas boscosas, por ejemplo la Selva Negra en Alemania

  3. Deterioro de los materiales de construcción, corrosión de estructuras metálicas, mal de la piedra etc.

Los efectos de la lluvia ácida en el suelo pueden verse incrementados en bosques de zonas de alta montaña, donde la niebla aporta cantidades importantes de los contaminantes en cuestión.

 Las áreas de cultivo no son tan vulnerables a los efectos de la lluvia ácida, toda vez que generalmente son abonadas con fertilizantes que restituyen nutrientes y amortiguan la acidez.



7.-Aerosoles primarios. Los aerosoles emitidos a la atmosfera directamente desde la superficie del planeta proceden principalmente, de los volcanes, la superficie oceánica, los incendios forestales, polvo del suelo, origen biológico ( polen, hongos y bacterias) y actividades humanas.

8.-Aerosoles secundarios Los aerosoles secundarios se forman en la atmósfera por diversas reacciones químicas que afectan a gases, otros aerosoles, humedad, etc. suelen crecer rápidamente a partir de un núcleo inicial.

Entre los aerosoles secundarios más abundantes están los iones sulfato alrededor de la mitad de los cuales tienen su origen en emisiones producidas por la actividad humana. Otro componente importante de la fracción d aerosoles secundarios son los iones nitrito.


La mayor parte de los aerosoles emitidos por la actividad humana se forman en el hemisferio Norte y como no se expanden por toda la atmósfera tan rápido como los gases, sobre todo porque su tiempo de permanencia medio en la atmósfera no suele ser mayor de tres días, tienden a permanecer cerca de sus lugares de producción.

En los últimos años ha cobrado especial interés el estudio de los efectos causados por este tipo de partículas pues juegan un papel muy importante a la hora de reflejar parte de la luz solar que llega a la atmósfera.




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