Contaminación atmosférica

Agentes contaminantes. Toxicidad. Smog. Lluvia ácida. Efecto invernadero

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LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

INDICE

  • INTRODUCCIÓN

  • PROCESO DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

  • TRANSPORTE Y TRANSFORMACIÓN DE LOS CONTAMINANTES

  • REACCIONES QUÍMICAS DE LOS CONTAMINANTES

  • CICLO DE LOS CONTAMINANTES EN LA ATMÓSFERA

  • EFECTO DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

  • El problema de la contaminación es que no solo se crea sino que se transporta, se transforma y su posible destrucción es más difícil, es un error pensar que solo hay contaminación en los sitios donde se crea, ya que el viento y el agua ayudan al transporte de la contaminación.

    CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

  • Introducción

  • La atmósfera es una mezcla de gases que rodean la tierra y otras especies químicas en menor proporción. La propiedad física más importante de la atmósfera es la variación de la temperatura en altura a razón de 6ºC por Km ascendido, cuando más se aparte este gradiente del normal va a provocar que los procesos de contaminación se agraven. La atmósfera contaminada será aquella en que se han modificado sus características respecto a sus condiciones naturales. Un contaminante atmosférico será aquel que ha sido emanado en una concentración suficiente para crear unos efectos mensurables en los receptores (seres vivos, materiales y la propia atmósfera).

    2. Proceso de contaminación atmosférica

    Entrada de un agente contaminante en un medio produciendo unos efectos.

    Fuente Contaminante ----------> Atmósfera -----> Receptores

    En todo proceso de contaminación es necesario medir los índices de emisión y los índices de inmisión. Para medir los índices de emisión tenemos que disponer del número de fuentes contaminantes y del tipo de fuentes, tipo de contaminantes emanados y la concentración de contaminantes. Los índices de inmisión nos da la información de que un contaminante al llegar a la atmósfera sufre una transformación y un transporte, incluyendo la concentración de los contaminantes tenemos los tres niveles de inmisión.

    El contaminante del aire puede pasar al suelo o al agua, al igual que puede sufrir procesos de transporte y transformación, estos procesos son función de las características de la fuente y de las condiciones del medio sobre el que incide, en este caso la atmósfera.

    Las fuentes contaminantes a la atmósfera pueden ser:

    Fuentes móviles, que nos indican un transporte.

    Fuentes estacionarias: Producción de energía

    Incineración de residuos

    Consumo de combustibles

    Fuentes industriales diversas

    Dependiendo del tipo de fuente va a ver distintos tipos de contaminantes, que son aquellos que son emanados en cantidades muy altas y sustancias que son muy tóxicas. La clasificación de los contaminantes se hace atendiendo a los siguientes criterios:

    • Según su origen

    Contaminantes primarios, son aquellos que son emanados directamente de la fuente, los niveles de emisión son las concentraciones de los contaminantes primarios. Pueden ser gaseosos o particulados, se puede ver su importancia en función de las fuentes que los emanan, cantidad total en que son emitidos y tendencia de esos contaminantes a aumentar o disminuir. Para ver la toxicidad relativa de los distintos contaminantes primarios debemos ver el factor de efecto, este factor de efecto se hace tomando como 1 el de menor toxicidad refiriéndose a él todos los demás, así a mayor nivel de factor de efecto más tóxico, tenemos que el más tóxico serán los hidrocarburos, NOx , partículas, SOx y el de menor factor de efecto (1) y al que están referidos los demás son al CO.

    Contaminantes secundarios, son los que se originan en la atmósfera por reacción entre contaminantes primarios o con la propia atmósfera, los niveles de inmisión son las concentraciones de los contaminantes secundarios.

    • Según su estado físico

    Contaminantes gaseosos, son aquellos que son gases en condiciones ambientales (no normales). Son óxidos de carbono, de azufre, de nitrógeno, compuestos de carbono no óxidos y compuestos halogenados.

    Contaminantes particulados (aerosoles), es una suspensión en aire de sólidos o microgotas de líquidos. Son de composición química diversa al igual que su tamaño y sus propiedades físicas. Podemos nombrar los aerosoles en función del diámetro de las partículas:

    Arenillas, son tamaños muy grandes >100um

    Polvo, entre 10 y 100 um

    Humos, son de origen contaminante y se incluyen sólidos y microgotas de líquidos. Su tamaño va de 0,1 a 10 um.

    3. Transporte y transformación de los contaminantes

    La atmósfera ejerce un papel activo en la contaminación a través de las condiciones meteorológicas, la atmósfera es la responsable del transporte y de los procesos de transformación.

    El estudio de las condiciones meteorológicas nos da una idea de la evolución del proceso de contaminación y del posible control de la contaminación atmosférica

    Las condiciones meteorológicas que más afectan al transporte y transformación de los contaminantes son:

  • Presión atmosférica

  • Temperatura

  • Grado de humedad

  • Radiación solar incidente y reflejada por la tierra

  • Viento (velocidad y dirección)

  • Las condiciones meteorológicas más importantes son la presión, los vientos y los fenómenos hidrometeorológicos. Los movimientos del aire en la atmósfera están determinados por la variación de temperatura en altura, que va a ser la responsable del movimiento de las capas de aire. El gradiente normal es la disminución de 6ºC por Km ascendido, lo que agrava los procesos de contaminación son las isotermas de temperatura y la inversión de la temperatura, donde en lugar de disminuir la tª ésta aumenta por lo tanto no hay difusión en altura. La inversión puede ser:

    • En superficie, son las capas de aire más cercanas al suelo, se forman como consecuencia de la diferencia de temperatura entre el día y la noche.

    • Las de subsidencia (1000-2000 m hasta 400 m), es un fnómeno que se extiende durante mucho tiempo y ocupa grandes superficies de terreno. Agravan los problemas de contaminación ya que al estar en altura y haber mucha radiación ultravioleta se formarán muchos contaminantes secundarios.

    El viento va a ser el responsable de los movimientos horizontales de los contaminantes, hay que tener en cuenta la velocidad del viento y su dirección.

    Los fenómenos hidrometeorológicos vamos a verlos como nieblas y precipitaciones:

    • Las nieblas se producen cuando el grado de humedad en la atmósfera es muy elevado. Las principales reacciones se dan en invierno ya que en verano al aumentar la temperatura se pueden disipar. Este grado de humedad de las nieblas propicia determinados procesos de contaminación primarios para dar lugar a contaminantes secundarios. La presencia de las nieblas hace que varíen las características de la atmósfera, como es la visibilidad y el grado de penetración de la radiación solar (esta radiación mata microorganismos), lo que provoca que en épocas de niebla aumente la contaminación y las enfermedades.

    • La lluvia, nieve o granizo lo que hacen es diminuir la concentración de los contaminantes ya que provocan un efecto de disolución y arrastre de los contaminantes, es decir, lavan la atmósfera, pero como consecuencia de esto hay un mayor aumento de la contaminación del suelo.

    Todos estos procesos de inmersión, vientos y fenómenos hidrometeorológicos lo que hacen es agravar o diminuir un proceso de contaminación, pero no lo crean.

    4. Reacciones químicas de los contaminantes

    Dependiendo de las condiciones meteorológicas va a provocar la aparición de los contaminantes secundarios, que son consecuencia de la transformación de los contaminantes primarios. Las reacciones que dan lugar a los contaminantes secundarios:

    • Reacciones en fase gaseosa, que son las térmicas y las fotoquímicas.

    • Reacciones en fase líquida, son reacciones iónicas.

    Las reacciones fotoquímicas, el que tenga lugar la reacción depende del contaminante A y de la radiación, en cuanto a esta radiación hay que tener en cuenta su intensidad y su longitud de onda. La intensidad de esta radiación depende del angulo con que incide en un punto determinado, la latitud, la hora y la estación en la que nos encontramos. Vamos a tomar como ejemplo las reacciones fotoquímicas en las cuales se ve implicado los óxidos de nitrógeno que son los desencadenantes del smog fotoquímico, que se caracteriza por las altas temperaturas y bajo grado de humedad. Consta de tres fases:

  • Iniciación: Fotólisis de NO2

  • hv

    NO2 ------->NO + O

    O + O2 + M -------> O3 + M

    NO + O3 ------> NO2 + O2

    En este proceso no hay acumulación de O3 en la atmósfera.

    2. Ramificación: se caracteriza por la formación de radicales libres, en la atmosfera, ademas de oxidos de nitrogeno tenemos hidrocarburos:

    Oxid

    HCn --------> Prod. estables + Radicales peroxo

    Estos radicales peroxo tienen un alto poder oxidante y son capaces de reaccioar con el NO:

    NO + RO2 ------> NO2 + RO

    hv

    NO2 ------->NO + O

    O + O2 + M -------> O3 + M

    El ozono se consume, esto es caracteristico del smog fotoquímico.

    3.Terminación, los productos intermedios van a dar lugar a productos estables, son los denominados PAN (nitratos de proxialquilos y nitratos de peroxiacilos).

    Como se ha visto en el smog fotoquímico se consume ozono, si por el arrastre del viento se va a zonas donde la contaminación es menor hay menos posibilidades de consumo de este ozono, aumentando por tanto la contaminación en estas zonas.

    Si consideramos los óxidos d azufre que son los desencadenantes del smog reductor, es necesario que haya una alta humedad y la presencia de partículas. Hay tres etapas:

  • Difusión del SO2 hacia la gota de agua

  • Difusión del SO2 hacia el interior de la gota, se produce la disolución de SO2 en agua (es muy soluble)

  • Reacción catalítica en la cual el SO2 es oxidado por el O2 de la atmósfera en presencia de partículas (actuan como catalizador) y de la alta humedad. La que rige la velocidad de reacción es esta tercera etapa, y su velocidad será mayor o menor dependiendo del catalizador, es decir de la partícula que haya en la atmósfera.

  • 5. Ciclo de los contaminantes en la atmósfera

    Se aplica sean contaminantes por medio natural o artificial. En un ciclo se ve la emisión de los contaminantes primarios, secundarios y los mecanismos de eliminación, llamados mecanismos sumideros. En los contaminantes primarios y secundarios hay que ver el tiempo de permanencia en la atmósfera.

    • Ciclo de los compuestos de azufre, el SO2 en un tiempo menor de 3 días se oxidará, el SH2 mediante oxidación dará lugar al SO2, con lo cual se incrementa la concentración de SO2 . Los tiempo de permanencia son bajos.

    • Ciclo de los oxidos de nitrógeno, el NO2 puede ser producido por medio natural o artificial, estos óxidos se oxidan para dar los PAN, también debemos considerar la entrada de NH3.

    • Ciclo de los óxidos de carbono, el origen viene del CH4, tanto por fuentes antropogénicas como naturales, para dar lugar al CO (que dará finalmente CO2) y el propio CO2 . El principal sumidero del CO2 van a ser las plantas.

    • Aerosoles, lo más importante a considerar en los aerosoles son una serie de transformaciones que van a sufrir. El aerosol es la suspensión de microgotas o partículas en suspensión de determinadas sustancias, por lo que su concentración va a depender de su origen, que conlleva unas propiedas físicas y una composición química. Para eliminar el aerosol, al ir variando la composición química y el tamaño, lo que tenemos que hacer es disminuir la masa del aerosol, son procesos físicos, como sedimentación por gravedad, eliminación de parte del aerosol por choques con superficie y arrastre por la lluvia.

    6. Efectos de los contaminantes atmosféricos

    El efecto será función de la toxicidad de la sustancia y el grado de exposición. Hay dos tipos de toxicidad:

    -Inherente, cuando la sustancia por si sólo puede producir daño.

    -Generada o potencial, cuando la sustancia original no tiene capacidad de producir daño, pero sí al interaccionar con el medio o con el receptor.

    El grado de exposición va a ser función de la concentración de la sustancia tóxica, el tiempo de exposición y el tiempo meteorológico. La vía de exposición puede ser por ingestión, inhalación o contacto.

    Los efectos pueden ser de distinto tipo:

    • Efectos agudos, una sustancia tóxica produce un efecto agudo cuando se detectan en una sola dosis. Son sustancias contaminantes muy fuertes.

    • Efectos crónicos, se producen después de un tiempo prolongado de exposición, son característicos de sustancias tóxicas con alto carácter acumulativo y típico de exposición laboral.

    • Efectos reversibles, cuando hay una recuperación total o parcial después de haber estado en contacto con la sustancia tóxica. Si una sustancia produce un efecto reversible esto quiero decir que los niveles permitidos son más altos porque para tiempos cortos hay una recuperación, siempre que la concentración del contaminante no sea letal.

    • Efectos irreversibles, no hay posible recuperación.

    El efecto final va a ser función de la dosis y del grado de acumulación. Para hacer una escala de toxicidad tenemos que tener en cuenta la toxicidad de esta sustancia, para medir la toxicidad se utiliza el valor del LD50 (dosis letal media), a mayor valor de LD50 poco tóxicas y viceversa. Existen otros límites que son los límites de tolerancia máxima que están relacionados con la concentración del contaminante y el tiempo de exposición al que puede estar expuesto el sujeto para que no se produzcan los efectos.

    • Efectos sobre la propia atmósfera:

    1. Visibilidad (se da en un pequeño espacio de tiempo y a pequeña escala)

    La visibilidad es la capacidad que tenemos de observar un objeto sobre un fondo, va a ser función de las condiciones meteorológicas, de la iluminación y de las características del observador.

    Esta reducción de la visibilidad va a ser consecuencia de la interacción de los contaminantes con la luz, las interacciones más importantes son los procesos de absorción y los procesos de dispersión, este último proceso es el que produce una mayor disminución de la visibilidad.

    2. Lluvia ácida (se da en corto-medio espacio de tiempo y a pequeña escala)

    No solo se refiere a que las gotas de lluvia lleven un pH más ácido, es la denominada deposición húmeda, sino también de la deposición seca que son las partículas ácidas que se depositan.

    El pH natural de la lluvia oscila entre 5 y 5,7 (ya que la lluvia atraviesa la atmósfera que tiene CO2 que es un gas ácido). Consideramos que la lluvia es ácida cuando su pH es menor de 5.

    3. Destrucción del ozono estratosférico

    Se da a largo tiempo, ya que necesita un tiempo para llegar a la estratosfera, por lo que deben ser contaminantes que no se transformen en un largo espacio de tiempo, los más importantes son:

    - Clorofluorocarbonados (Freones): Tienen tiempos de permanencia muy altos sin transformación (30-100 años), las reacciones principales son:

    hv

    CFCl3 -------> CFCl2 + Cl

    Cl + O3 ------> ClO + O2

    ClO + O -----> Cl + O2

    Para poder destruir los CFCl3 se necesita una radiación muy baja que no hay en la atmósfera. Con cantidades muy pequeñas de estos CFC la destrucción del O3 es muy grande, ya que son reacciones en cadena.

    - Óxidos de nitrógeno, el más importante es el NO, se inyecta directamente en el límite de la troposfera y estratosfera por lo aviones supersónicos, los cuales sueltan el NO producido por combustión que se enfría rapidamente y esta preparado para reaccionar:

    NO + O3 ------> NO2 + O2

    El N2O proviene de productos de descompensación de nitratos, de sales amoniacales y de procesos de descomposición. Van a ir transformándose para dar lugar al gas N2O que va a reaccionar con el O3:

    hv

    N2O ------->NO + O

    NO + O3 ------> NO2 + O2

    4. Efecto invernadero (es un efecto a gran escala y en largo espacio de tiempo)

    Los principales gases que producen el efecto invernadero son el CO2, CH4, CFC,..., todas aquellas moléculas que son capaces de absorver IR en la longitud de onda remitida por la tierra, al haber esa absorción de la radiación esta no sale a la atmósfera y se produce el sobrecalentamiento de la tierra.

    • Efectos sobre los materiales

    Se afectan a todos aquellos materiales que están en contacto con la atmósfera, se aplica sobre todo a las construcciones (especialmente los de piedra), se pueden dar dos efectos (van a depender del tipo de material y del tipo de contaminante) que se ensucien, o el deterioro de los materiales.

    El patrimonio artístico está construido principalmente:

    - Granito, formadas por distintas sustancias, unas más blandas que se destrozan antes y la parte más dura acabará desprendiéndose.

    - Calizas: CaCO3 + SO2 ------> CaSO4

    El CaSO4 tiene una resistencia mecánica menor y por tanto su deterioro es mayor.

    Los distintos materiales que podemos encontrar en la ciudad:

    - Metales, si reaccionan con sustancias que tengan acidez van a dar sales solubles.

    - Pinturas, al reaccionar con contaminantes se va modificando la base de la pintura y se produce el cambio de los colores.

    - Productos sintéticos, son atacados por el O3 produciendo un endurecimiento de los materiales hechos de caucho.

    • Efectos sobre los seres vivos

  • Vegetales

  • Hay ciertas sustancias denomidas fitotóxicas, como el SO2, O3, Pb, NOx, que producen unos síntomas visibles en los vegetales, que también van a depender de la exposición y de la concentración del contaminante.

    Un bioindicador, es un ser vivo que manifieste una respuesta clara frente a una determinada sustancia y a una determinada concentración de esa sustancia. Existen algunos vegetales que son buenos bioindicadores de la contaminación atmosférica, como los musgos y los líquines, no por los efectos que sobre ellos se producen sino porque son bioacumuladores (perfecta correlacióne entre la concentración en la atmósfera y concentración en el ser vivo). Un biosensor es un dispositivo analítico que se incorpora o bien a un ser vivo o un componente de un ser vivo, de tal forma que la respuesta de ese sensor es función de lo que hemos incorporado al dispositivo analítico. Por lo tanto un biosensor es diferente a un bioindicador.

    2. Hombre

    El efecto va a ser función de la posibilidad de penetración en el ser vivo, de la toxicidad inherente de la sustancia y de la dosis (depende de la concentración y del tiempo de exposición). La posibilidad de penetración es distinta así se trate de un contaminante particulado o gaseoso:

    • Los gases van a penetrar más o menos en función de la solubilidad en agua, por lo que a mayor solubilidad menor penetración ya que se quedaría retenido en la garganta o boca, y a menor solubilidad mayor posibilidad de penetración en el organismo (puede llegar al pulmón y se podría transportar a la sangre), los contaminantes gaseosos más importantes son:

    - CO: Tiene escasa solubilidad en agua por lo que puede penetrar hasta los alveolos pulmunares y por lo tanto hasta la sangre formando carboxihemoglobina impidiendo que se una el oxígeno a la hemoglobina no dándose por tanto su transporte y se produce la asfixia, la afinidad del CO por la hemoglobina es 200 veces mayor que la del O. Los efectos tóxicos van a depender de la cantidad de CO unido a la hemoglobina y del tiempo de exposición. La vida media de carboxihemoglobina es de 4h, por lo que para que se produzca la muerte es necesario que el tiempo de exposición sea grande al igual que la concentración de CO.

    - SOx : Son muy solubles en agua por lo que tienen poca penetración en el organismo, provocan daño en el tracto superior. Aumenta su posibilidad de penetración por transporte sobre partículas por lo que el daño también aumentaría.

    - NOx : Son poco solubles por lo que pueden penetrar en el organismo. El NO2 es 4 veces más tóxico que el NO. Se pueden formar en el organismos nitrosaminas (son molec. cancerígenas). Si llega suficiente a la sangre se forma metahemoglobina, donde el hierro está como Fe(3+) por lo que pierde la capacidad de transportar oxígeno produciéndose por tanto la asfixia, también se pueden producir daños en el sistema respiratorio.

    - Productos del smog fotoquímico, son sustancias gaseosos o vapores, como el O3, hidrocarburos, PAN, aldehidos,... son muy tóxicas. El O3 es un sustancia generadora de radicales libres que dan lugar al envejecimiento celular, se nota en concentraciones de 0.1 ppm. Los PAN y aldehidos, van a producir irritación ocular, se nota en concentraciones de 0.7 ppm y en tiempos de exposición de pocos minutos.

    • Las partículas, van a penetrar en función de su diamétro:

    - Grandes (>1m), tienen baja capacidad de penetración, quedan retenidas en el tracto superior y también pueden ser ingeridas.

    - Intermedias son las que tienen mayor capacidad de penetración.

    - Pequeñas, van a quedar pegadas en el tracto superior, se van uniendo para dar partículas intermedias.

    Si una particula tiene una capacidad de penetración media vamos a distinguir tres tipos en función de su toxicidad:

    - Inertes, su toxicidad inherente es muy baja o nula, pero siempre van a producir un efecto, como irritación, disminuyen la capacidad de defensa al estar pegadas en el tracto respiratorio.

    - Partículas transportadoras, pueden hacer que otros contaminantes llegen hasta puntos más interiores del organismo, se pueden unir mediante procesos de adsorción y de absorción.

    - Partículas de toxicidad inherente alta, con metales pesados, coincide su alta toxicidad con el diametro ideal para penetrar en el cuerpo.

    Teniendo en cuenta la toxicidad y concentración de los contaminantes se establecen unos límites legales, donde podemos hablar de dos tipos de calidad standar de aire:

    - Primario, son aqullos niveles máximos que tienen por objeto la protección de la salud humana, son los denominados valores límite.

    - Secundario, es la concentración máxima para una calidad deseable de aire, son los denominados valores guía. Existen otros niveles que son los de adevertencia y emergencia, que son las concentraciones máximas y tiempos de exposición cortos que provocarían daño.

    BIBLIOGRAFÍA

    Arthur C. Stern - “air pollution” volumen 1

    Peter Warner - “análisis de los contaminantes del aire”

    Alberto Linés Escarado - “acción del hombre en el clima y la contaminación”

    Howard Hesketh - “air pollution control”

    Xavier Doménech - “quimica atmosferica: origen y efectos de la contaminación”

    Internet