Contaminación

Lluvia ácida. Efecto invernadero. Destrucción de la capa de ozono. Ciclos: agua, nitrógeno, azufre, carbono, fósforo, dióxido de carbono

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Lluvia Ácida

Contaminación

Los gases que producen las fábricas y automóviles, los que son liberados por efecto de la quema de basura o de incendios, como el óxido de azufre y el óxido de nitrógeno, en forma invisible se almacenan en el aire, y a veces se introducen en las nubes, donde se mezclan con la lluvia o la nieve. De esta forma, cuando se producen precipitaciones, el ácido de los gases vuelve a caer sobre la tierra.

pH de la lluvia ácida: inferior a 5,6 llega hasta 2,5, excepcionalmente 1,5.(la proporción de acidez se va multiplicando por diez a medida que disminuyen los valores del pH)

Efectos de la lluvia ácida:

-En lagos y corrientes, la muerte de crustáceos, insectos acuáticos y moluscos y la desaparición del fitoplancton.

-En el suelo, afecta las raíces de los árboles

-En las plantas, las hojas se ven afectadas por las gotas de lluvia que reciben.

-Los edificios y las construcciones de hormigón se ven seriamente afectados

-En los animales se ha observado pérdida de pelo y desgaste prematuro de mandíbulas.

-En el ser humano, afecciones respiratorias y cáncer.

El Ciclo del Agua

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Empieza con la evaporación del agua desde la superficie del océano. El aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua: condensación. Las gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso en forma de lluvia, nieve o granizo: precipitación.

Parte del agua que llega a la tierra escurre por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano: escorrentía. Otra parte se filtrará a través del suelo, formando capas de agua subterránea: percolación.

Las raíces de las plantas absorben el agua, la cual se desplaza hacia arriba a través de los tallos o troncos, movilizando consigo a los elementos que necesita la planta para nutrirse. Al llegar a las hojas y flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua: transpiración.

Efecto Invernadero

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El fenómeno denominado “efecto invernadero” es semejante al proceso que se desarrolla en los invernaderos de plantas. Estas construcciones de vidrio tienen por objetivo mantener el calor, ya que el sol entra a través del vidrio y calienta el invernadero; el techo y las paredes impiden que el sol salga.

En nuestro planeta los rayos solares penetran en la atmósfera y son absorbidos por la superficie de la tierra. La tierra devuelve el calor a la atmósfera y es absorbido por el vapor de agua y por el dióxido de carbono (CO2), produciendo el calentamiento de la atmósfera. Este es un proceso normal que mantiene la superficie de la tierra con una temperatura apta para vivir. Pero la actividad humana, y el efecto contaminante que trae, han hecho que este mecanismo se agudice, ya que en la medida en que en la atmósfera hay más contaminantes y gases, especialmente CO2, se incrementa el efecto invernadero, pues más calor queda atrapado en la atmósfera, aumentando la temperatura total del planeta.

El efecto que acarrea esto sobre el planeta es grave, ya que al aumentar la temperatura se producirá un cambio del clima en el mundo y los cultivos, que son una de nuestras fuentes de alimentos, sufrirán cambios en su entorno y pueden verse afectados; así también, se puede producir un derretimiento de los hielos de los polos, con catastróficos resultados. Los estudios más recientes indican que en los últimos años se está produciendo, de hecho, un aumento de la temperatura media de la Tierra de algunas décimas de grado. Unos 0.6ºC en los últimos 130 años.

Para analizar la relación entre las diversas variables y los cambios climáticos se usan modelos computacionales de una enorme complejidad. Hay diversos modelos de este tipo y, aunque hay algunas diferencias entre ellos, es significativo ver que todos ellos predicen relación directa entre incremento en la temperatura media del planeta y aumento de las concentraciones de gases con efecto invernadero.

Ciclo del Nitrógeno

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La reserva principal de nitrógeno es la atmósfera (el nitrógeno representa el 78 % de los gases atmosféricos). La mayoría de los seres vivos no pueden utilizar el nitrógeno elemental de la atmósfera para elaborar aminoácidos ni otros compuestos nitrogenados, de modo que dependen del nitrógeno que existe en las sales minerales del suelo. Por lo tanto, a pesar de la abundancia de nitrógeno en la biosfera, muchas veces el factor principal que limita el crecimiento vegetal es la escasez de nitrógeno en el suelo. El proceso por el cual esta cantidad limitada de nitrógeno circula sin cesar por el mundo de los organismos vivos se conoce como ciclo del nitrógeno.

Las tres principales etapas del ciclo son:

Amonificación

Gran parte del nitrógeno del suelo proviene de la descomposición de la materia orgánica y, por lo tanto, consiste en compuestos orgánicos complejos (proteínas, aminoácidos, etc.).   

Estos compuestos suelen ser degradados a compuestos simples por los organismos que viven en el suelo (bacterias y hongos). Estos microorganismos utilizan las proteínas y aminoácidos para formar las proteínas que necesitan y liberar el exceso de nitrógeno como amoníaco (NH3) o amonio (NH+4). Este proceso se denomina amonificación.

Nitrificación

Algunas bacterias comunes en los suelos oxidan el amoníaco o el amonio. Esta oxidación se denomina nitrificación. En ella se libera energía, que es utiliza por los bacterias como fuente energética primaria.   

Un grupo de bacterias oxida el amoníaco (o amonio) a nitrito (NO-2).   

El nitrito es tóxico para las plantas, pero es raro que se acumule (la presencia de nitritos en el agua es un indicador muy claro de contaminación).

Otras bacterias oxidan el nitrito a nitrato, que es la forma en que la mayor parte del nitrógeno pasa del suelo a las raíces.

Asimilación

Una vez que el nitrato está dentro de la célula de la planta, se reduce de nuevo a amonio. Este proceso se denomina asimilación y requiere energía.   

Los iones de amonio así formados se transfieren a compuestos que contienen carbono ara producir aminoácidos y otras moléculas orgánicas nitrogenadas que la planta necesita.  

Los compuestos nitrogenados de las plantas terrestres vuelven al suelo cuando mueren las plantas o los animales que las han consumido; así, de nuevo, vuelven a ser captados por las raíces como nitrato disuelto en el agua del suelo y se vuelven a convertir en compuestos orgánicos. 

Los nitratos pueden almacenarse en el humus en descomposición o desaparecer del suelo por lixiviación, siendo arrastrado a los arroyos y los lagos. Otra posibilidad es convertirse en nitrógeno mediante la desnitrificación y volver a la atmósfera.

Ciclo del Azufre

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Se encuentra azufre en los aminoácidos ciseina y metionina en sistemas biológicos. Aparte de su importancia en las proteínas, el azufre tiene muchos estados de oxidación, haciéndole importante en las reacciones de oxidación reducción.

SO3-2

SO4-2

S2-

sulfita

 

sulfata

 

sulfida

 

En la presencia de oxígeno, la reducción (asimilación) equilibra la oxidación (disimilación). Se observa la oxidación del azufre orgánico cuando los animales excreten azufre excesivo de su dieta y cuando los microorganismos descomponen el detritus. La reducción (asimilación) de azufre se observa cuando las plantas absorben el azufre de su substrato

En la ausencia de oxígeno, el azufre hace un papel importante en la oxidación. Bacterias fotoautotróficas utilizan la sulfida (S2-) como un agente de reducción: 

S2-

S + 2 e-

sulfida

 

azufre mineral y electrones

Este proceso se utiliza, similar a la manera que el fotosíntesis utiliza oxígeno (O2-) para asimilar carbón y formar carbohidratos. Básicamente, el azufre toma el papel del oxígeno como el donador de electrones (e-)

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Las bacterias, Desulfovibrio y Desulfomonas, reducen la sulfata (SO42-), dando sulfida (S2-) y energía

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Esta reacción, también sucediendo en la ausencia de oxígeno, como el fotosíntesis anaeróbico, utiliza estados de azufre que fácilmente se convierten en azufre mineral (elemental) (S) o forman precipitados (como el FeS, por ejemplo). Dichos precipitados son comunes en depósitos de carbón mineral.

Ciclo del Carbono

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El carbono es elemento básico en la formación de las moléculas de carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, pues todas las moléculas orgánicas están formadas por cadenas de carbonos enlazados entre sí.

La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres vivos puedan asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2, se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años.

La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración los seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles.

Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la de otros gases, como el O2 o el N2, porque reacciona con el agua formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos organismos convierten parte del CO2 que toman en CaCO3 que necesitan para formar sus conchas, caparazones o masas rocosas en el caso de los arrecifes. Cuando estos organismos mueren sus caparazones se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas en el que el C queda retirado del ciclo durante miles y millones de años. Este C volverá lentamente al ciclo cuando se van disolviendo las rocas.

El petróleo, carbón y la materia orgánica acumulados en el suelo son resultado de épocas en las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que se tomaba. Así apareció el O2 en la atmósfera. Si hoy consumiéramos todos los combustibles fósiles almacenados, el O2 desaparecería de la atmósfera. Como veremos el ritmo creciente al que estamos devolviendo CO2 a la atmósfera, por la actividad humana, es motivo de preocupación respecto al nivel de efecto invernadero que puede estar provocando, con el cambio climático consiguiente

Ciclo del Fósforo

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El fósforo es un componente esencial de los organismos. Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN); del ATP y de otras moléculas que tienen PO43- y que almacenan la energía química; de los fosfolípidos que forman las membranas celulares; y de los huesos y dientes de los animales. Está en pequeñas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0,2%, aproximadamente. En los animales hasta el 1% de su masa puede ser fósforo.

Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. Por meteorización de las rocas o sacado por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas. Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que es arrastrado sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán millones de años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fósforo.

Otra parte es absorbida por el plancton que, a su vez, es comido por organismos filtradores de plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos peces son comidos por aves que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra.

Es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos y en los lugares en los que las corrientes marinas suben del fondo, arrastrando fósforo del que se ha ido sedimentando, el plancton prolifera en la superficie. Al haber tanto alimento se multiplican los bancos de peces, formándose las grandes pesquerías del Gran Sol, costas occidentales de Africa y América del Sur y otras.

Con los compuestos de fósforo que se recogen directamente de los grandes depósitos acumulados en algunos lugares de la tierra se abonan los terrenos de cultivo, a veces en cantidades desmesuradas, originándose problemas de eutrofización

Ciclo del dióxido de carbono

Su ciclo en la naturaleza está vinculado al del oxígeno. El balance del dióxido de carbono es sumamente complejo por las interacciones que existen entre la reserva atmosférica de este gas, las plantas que lo consumen en el proceso de fotosíntesis y el transferido desde la troposfera a los océanos. El aumento del contenido de dióxido de carbono que se verifica actualmente es un componente del cambio climático global, y posiblemente el mejor documentado.

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Procesos naturales de ganancias y pérdidas de dióxido de carbono en la atmósfera

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y en suelo

Capa de ozono

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El ozono es una molécula inestable que se encuentra distribuida en la atmósfera de la Tierra, especialmente se concentra a una altura de 48 km. Dependiendo de dónde resida el ozono puede ser benéfico para la vida en el planeta o puede ser nocivo para todos. Cuando está a una altura de 24 km, el ozono se convierte en un escudo protector de los rayos provenientes del sol, pero a una altura menor, se convierte en un contaminante dañino para los tejidos animales y vegetales.

El ozono (O3) son moléculas que contienen tres átomos de oxígeno unidos todos juntos. Se crea en la estratosfera donde los rayos solares de energía golpean a las moléculas de O2 y causan que la molécula se rompa y se parta.

Si uno de los átomos se encuentra con otro O2 se une con el formando ozono (O3). El ozono es también roto naturalmente en la estratosfera. En la atmósfera, el ozono es roto por las emisiones solares y por reacciones químicas con varios componentes conteniendo nitrógeno, hidrógeno y cloro. Estos elementos químicos se encuentran en pequeñas cantidades en la atmósfera. Así la concentración total del ozono se mantiene constante siempre.

Adelgazamiento de la capa de ozono En los 60's después de algunas pruebas, los científicos encontraron que algunos compuestos dañaban la capa. En 1974 los doctores F. Sherwook Rowland y Mario Molina, hicieron una hipótesis donde los CFCs (clorofluorocarbonos: compuestos del flúor) eran capaces de permanecer en la atmósfera y de diseminarse hacia la estratosfera fácilmente. En 1985 el agujero en la capa produjo el interés de científicos y de más población en todo el mundo.

Durante varios años, a partir de finales de la década de 70, investigadores que trabajaban en la Antártica detectaron una pérdida periódica de ozono en las capas superiores de la atmósfera por encima del continente.

El adelgazamiento en la capa de ozono ocurre cuando el balance natural entre la producción y la
destrucción estratosférica, tiende hacia la destrucción. Aún cuando los procesos naturales pueden causar una pérdida temporal de ozono, el cloro y bromo emitido y liberado de muchos compuestos sintéticos es ahora la mayor causa de la pérdida de ozono en la estratosfera en todo el mundo desde 1980.

Agujero en la capa de ozono

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En la antártica el agujero se hace visible durante los meses de primavera antártica y esto ha sido causado por un 40% menos en los niveles de ozono durante los 70's y se ha observado tanto como un 60% de pérdida a finales de los 80's. En 1992, este fenómeno fue peor en el hemisferio sur pues el agujero había crecido y se presentó antes de lo previsto. Las mediciones realizadas arrojaron los resultados más bajos de los últimos 35 años alcanzando sólo 105 UD (Unidades Dobson) y entre los 13 y 18 km. el ozono se había destruido completamente.

Nueva Zelanda, Australia, y Sudamérica se han visto afectadas por el agujero en la capa de ozono. Entre 1979 y 1991 las cantidades de ozono total en la tierra han descendido un 3%. En el hemisferio norte, el adelgazamiento de la capa es mayor durante el invierno y a principios de primavera. En 1993, la capa sobre Canadá estuvo un 14% abajo de lo normal durante los meses de enero a abril.

Causas del Adelgazamiento de la capa de ozono Los químicos industriales que contienen cloro y bromo. La geografía, temperatura, luz y viento han contribuido también al adelgazamiento de la capa de ozono. Las emisiones de clorofluorocarbonos son los actores principales, ellos han acabado con el 80% del ozono perdido. La deforestación, el uso de algunos fertilizantes, y la combustión de gasolinas fósiles producen sustancias que destruyen la capa de ozono. Los halocarbones industriales son destructores de ozono efectivos porque flotan en la atmósfera por largo tiempo (de 20 a 120 años), suficiente para subir a la estratosfera. También ayudan y catalizan las reacciones naturales que destruyen el ozono.

Una vez que alcanzan la estratosfera, la radiación UV-C rompe las moléculas de CFC, Tetracloruro de Carbono, etc., en moléculas de cloro que a su vez rompen las moléculas de ozono (O3) para unirse con los oxígenos. Estos átomos de cloro y bromo que activan la destrucción del ozono, no se alteran después de esas reacciones así que un solo átomo de cloro puede destruir hasta 100,000 moléculas de ozono antes de quedar como un compuesto estable que se pierde en la atmósfera.

El bromo es más potente destructor de ozono que el cloro porque es capaz de formar menos compuestos estables por lo que se rompe y sigue en su acción destructiva que es 40 veces más potente que el cloro. Este número es el ODP que es el potencial que tiene un kilo del compuesto u átomo para destruir ozono en un tiempo específico.

Convertidores catalíticos

Es un dispositivo que forma parte del sistema de control de emisiones del vehículo, tiene forma de mofle, ayuda a disminuir casi a cero los elementos nocivos de los gases de escape de un vehículo.

Consta de un panal (preferentemente de cerámica) con incrustaciones de partículas de metales preciosos (platino, paladio y rodio), las emisiones contaminantes reaccionan con los metales preciosos y el calor, transformándose a sí mismos en agua, bióxido de carbono y otros compuestos inofensivos. El catalizador requiere de calor de combustión (aprox. 260°C) para activarse o "desactivarse" y a través de las reacciones químicas que se producen en su interior añade calor al sistema de escape. ¿Cómo funciona el convertidor catalítico?

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Si existiera un motor de combustión interna ideal, éste podría quemar su combustible puro totalmente, los productos de combustión de este escape de emisiones serían CO2 y H2O.

Hay productos secundarios por a las tº y presiones generadas. El vehículo a gasolina emite 3 principales gases contaminantes: hidrocarburos no quemados (HC) monóxido de carbono (CO) óxidos de nitrógeno (NO)

El convertidor catalítico lleva a cabo dos reacciones químicas, una es la oxidación de los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO) y la segunda reacción es la reducir los óxidos de nitrógeno (NOx).

CO + HC + NOx ® CO2 + H2O + N2

La manera más efectiva de reducir emisiones de escape (dañinas o no dañinas) es quemar menos combustible. Para el control de las emisiones de escape y reducir sus efectos dañinos está: control de la combustión, combustibles limpios, eficiencia en el uso de combustible.

Los beneficios de una especificación mejorada de combustible son inmediatos en todo el parque vehicular, mientras que los beneficios de nuevas tecnologías de control de emisiones en vehículos nuevos son graduales con la penetración en el parque vehicular.

Las tecnologías utilizadas para el control de emisiones de escape son dos:

-Control de la combustión para una combustión más completa y reducir emisiones dañinas

-Tratamiento posterior a los gases de escape, a través de convertidor catalítico para convertir los gases dañinos en gases inertes: consiste en reducir los gases dañinos provenientes de la cámara de combustión.

La combustión incompleta produce compuestos inestables dañinos al organismo humano, al entrar los gases de escape a la zona del panal en presencia de calor, se generan reacciones químicas que transforman los gases nocivos en otros de moléculas muy estables, que no perjudican a los seres humanos.

Existen dos tipos de convertidores catalíticos:

Por Oxidación o de Dos vías: añade oxígeno para convertir HC y CO a gases no contaminantes pero no controla el NOx.

De tres vías: convierte los tres contaminantes de mayor impacto, HC, CO y NOx a emisiones no contaminantes.

CO + HC + NOx ® CO2 + H2O + N2

Hasta la fecha se siguen instalando convertidores catalíticos de tres vías con buenos resultados en la reducción de las emisiones y el de dos vías poco a poco ha sido sustituido por el anterior debido a que solamente reduce solamente hidrocarburos y monóxido de carbono.

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