Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

1.

CONTAMINACIÓN AMBIENTAL: GENERALIDADES

1.1

LOS PROBLEMAS AMBIENTALES

Repaso de definición de medio ambiente (MA): entorno vital, entendido como el conjunto de elementos físicos, biológicos, socioeconómicos, culturales y estéticos, que interactúan entre sí, con el individuo y con la comunidad en que vive, determinando su forma, carácter, comportamiento y supervivencia (Gómez Orea, 1992). Definición de tecnologías del medio ambiente (TMA): Aplicación de técnicas y ciencias orientadas a prevenir y corregir daños ambientales producidos por la actividad del hombre. El ámbito básico de trabajo de las TMA lo constituyen los problemas ambientales relacionados con la contaminación atmosférica, de las aguas y del suelo. •

Los recursos se explotan por encima de su tasa de renovación

empobrecimiento y degradación.

•

Se incorporan materiales o energía al medio por encima de su capacidad de asimilación o capacidad de recuperación

contaminación local y global

Los problemas ambientales surgen cuando

Los grandes problemas ambientales surgen en el siglo XIX, con el inicio de la era industrial, puesto que la sociedad se desarrolla considerando que los recursos naturales eran: •

Inagotables

•

De uso libre y sin coste o contrapartida de recuperación

La conciencia de los daños producidos por la contaminación para la salud humana apareció muy rápidamente (muertes por silicosis, revueltas populares en Nerva, contaminación de las aguas de los principales ríos europeos, ...), aunque las medidas correctoras tardaron muchos años en llegar. En la raíz de los problemas ambientales se encuentran: •

El crecimiento general de la población

•

La concentración poblacional en grandes núcleos urbanos

•

El progreso tecnológico (que además de causa debe ser solución)

Formulación de los principales problemas ambientales: •

Destrucción de ecosistemas a nivel local y global

•

Disminución de la biodiversidad: riqueza biológica, de hábitats, recursos genéticos

•

Sobreexplotación de recursos naturales y ecosistemas Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 1 de 27

•

Riesgos para la salud humana

•

Introducción de fauna y flora exóticos: vectores de enfermedades, destrucción de especies autóctonas

•

Generación de RSU y RTP

•

Destrucción de grandes superficies forestales por talas o incendios

•

Erosión y pérdidas de suelo

•

Destrucción de la capa fértil del suelo por ocupación

•

Prácticas de cultivo intensivas que agotan el suelo y lo contaminan con fertilizantes y pesticidas

•

Pérdida de paisajes naturales, reducción de capacidad recreativa

•

Deterioro del ambiente de las ciudades y su entorno

•

Abandono de zonas rurales con la desaparición de usos y paisajes tradicionales

•

Daños en el patrimonio histórico-artístico

•

Cambio climático

•

Destrucción de la capa de ozono

1.2

LÍNEAS BÁSICAS DE ACTUACIÓN CONTRA LOS PROBLEMAS AMBIENTALES

Las decisiones relacionadas con el medio ambiente deben tener en cuenta dos principios: •

Principio de la irreversibilidad: existen actuaciones y procesos que tienen un carácter irreversible a escala temporal humana: pérdida de recursos mineros y energéticos no renovables, pérdidas de suelo, desaparición de especies, ...

•

Principio de incertidumbre: en ocasiones no se conoce con seguridad cuáles pueden ser los efectos y consecuencias de actividades sobre el medio.

La actitud básica del hombre ante el medio, a la vista de los dos principios citados debe ser conservadora. (Se entiende como “conservar” el realizar el aprovechamiento del medio manteniendo un alto nivel de calidad ambiental; no debe confundirse con “preservar”, que implica la abstención total de actuaciones sobre el medio). Para posibilitar el desarrollo en un marco conservador es necesario que exista una normativa de protección medioambiental y que ésta se cumpla. Actualmente en la UE las líneas básicas de actuación para la protección del medio ambiente son las marcadas por el “V Programa de acción comunitario”, que se resumen en el cuadro siguiente para los principales sectores implicados.

Página 2 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

1.3

CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

Definiciones: •

Liberación artificial, en el medio ambiente, de sustancias o energías que causen efectos adversos sobre el hombre, o sobre el medio, directa o indirectamente (A. Ramos).

•

Introducción de elementos, energía o subproductos indeseados, extraños al medio, improcesables o en cantidades superiores a la capacidad de asimilación de éste (Gómez-Orea).

Las sustancias o elementos pueden ser contaminantes por: •

La cantidad: mayor aporte que capacidad de biodegradación

•

La toxicidad intrínseca del producto

Los contaminantes pueden ser: ⇒ Sustancias ⇒ ⇒ ⇒ Formas de energía ⇒ ⇒

1.4

sólidos líquidos gases radiaciones calor ruido

CLASIFICACIONES DE LA CONTAMINACIÓN

Las vías de descarga de los contaminantes al medio son el aire, el agua y el suelo, que se manifiestan como: • • •

contaminación atmosférica contaminación de aguas superficiales o subterráneas contaminación del suelo o del subsuelo

Según su incidencia espacial se habla de: • • •

efecto local efecto lejano efecto global

Según el tipo de foco emisor: •

puntual: foco concreto y localizado

•

difusa: multitud de focos que afectan a grandes superficies

Según los daños que provocan a los organismos: •

Agudo: respuesta rápida a exposiciones relativamente cortas (fugas industriales, radiactivas, accidentes industriales, ...)

Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 3 de 27

•

1.5

Acumulativo o crónico: respuestas lentas a exposiciones prolongadas de baja toxicidad. MODIFICACIONES DE LOS EFECTOS DE LOS CONTAMINANTES

En ocasiones el producto emitido no es en sí un contaminante o su toxicidad es baja, pero puede sufrir transformaciones que aumenten la peligrosidad; estas pueden ser: •

Sinergia: la acción conjunta de dos contaminantes es mayor que la que producirían por separado (ej.: cadmio+cobre)

•

Contaminantes secundarios: se producen por las reacciones químicas entre los contaminantes y los factores del medio

•

Bioacumulación: las células de los organismos absorben moléculas de elementos traza esenciales para su desarrollo, pudiendo también absorber los tóxicos por el mismo mecanismo.

•

Biomagnificación: los compuestos tóxicos se van concentrando y alcanzan niveles más altos en la parte superior de la cadena trófica

Página 4 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

2.

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

2.1

LA ATMÓSFERA

Tiempo y clima Definición y caracterización de la atmósfera Extremos relativos de temperatura en la atmósfera Estructura de la atmósfera 2.1.1

TIEMPO Y CLIMA

Def.: La climatología es la descripción y explicación de los caracteres físicos del clima. A la hora de definir el clima se han elegido dos definiciones interesantes: (Introducción a la climatología, P. Pagney, pag. 9-12) 1ª Clima: conjunto de fenómenos que caracterizan el estado medio de la atmósfera en un punto de la superficie terrestre. 2ª Clima: serie de los estados de la atmósfera sobre un lugar en su sucesión habitual. Si bien ambas definiciones se refieren al estado de la atmósfera, hay una diferencia fundamental entre ellas: La primera introduce la noción de estado medio de la atmósfera, refiriéndose a los promedios relativos a temperaturas, precipitaciones, insolación, nubosidad, con lo que realiza una caracterización analítica o separativa de las componentes del clima. Se hablará así de un clima cálido o frío, seco o lluvioso, etc. a partir de unos datos medios que pueden no darse nunca, en la realidad. En tiempos recientes la capacidad de descripción del clima a través de valores medio (Climatología analítica) ha mejorado mucho al introducirse otras variables que hacen referencia a la distribución de los fenómenos: días de lluvia, temperaturas superiores a un cierto umbral (varios umbrales). La segunda definición se refiere a los estados sucesivos de la atmósfera, que son lo que popularmente se conoce como EL TIEMPO. El tiempo se refleja en mapas sinópticos que son la representación de situaciones atmosféricas verdaderas, más o menos típicas de una zona. El estudio de una larga serie sinóptica nos puede llevar al conocimiento descriptivo y explicativo del clima de una región. Es lo que se denomina la Climatología sintética o dinámica. Ambas formas de enfocar el estudio del clima , la analítica y la sintética, son complementarias entre sí, ya que la primera puede plantearnos el hecho estadístico de que "llueve mucho", mientras que la segunda nos presentará las situaciones atmosféricas que explican "porque llueve mucho"

Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 5 de 27

2.1.2

DEFINICIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LA ATMÓSFERA

Def: Se denomina Atmósfera a la capa gaseosa no uniforme que rodea al planeta Tierra. La heterogeneidad (no uniformidad) de la atmósfera se manifiesta en el aspecto cualitativo y cuantitativo: CUANTITATIVO: debido al peso y compresibilidad de los gases, la mayor parte de la atmósfera se encuentra concentrada en las proximidades de la corteza terrestre, por lo que, aunque hayan sido detectados gases atmosféricos a 1.000 km. de la superficie terrestre, por encima de los 60 km, no resta ni una milésima de la masa total atmosférica. La distribución aproximada puede verse en el gráfico adjunto:

MASA MASAATM ATM(SOBRE (SOBREEL ELTOTAL) TOTAL)

Grafico Grafico de de masa masa total total acumulada acumulada de de la atmósfera la atmósfera en en progresión progresión altitudinal altitudinal 1 1 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0 0

1010

20 20

30

30 40

4050

50 60

7060

Altitud (m) Altitud (m)

CUALITATIVOS: Los gases cuya mezcla forma el aire varían según la altitud sobre la superficie terrestre; así los gases más pesados, como N2 y O2 se encuentran en la zona inferior de la atmósfera en mayor concentración, mientras que la proporción relativa de gases ligeros como H2 o He, aumenta en las capas altas de la atmósfera. La composición media (DE AIRE SECO) de los 10 Km. inferiores de la atmósfera (troposfera) es la siguiente:

Página 6 de 27

70

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

GASES PRINCIPALES N2

TRAZAS

78%

H2

CO

O2

20,99%

Ne

SO2

Ar CO2

0,94% 0,03%

He O3

NO2 NO

La cantidad de CO2 varía según los puntos de la superficie terrestre, pero lo que más varía es el contenido en vapor de agua, que suele estar entre 1 y 30 gr. de H2O /m3 de aire, y en casos desbordar ambos límites. Tanto el CO2 como el vapor de agua son fundamentales para la existencia de vida en la Tierra.

2.1.3

EXTREMOS RELATIVOS DE Tª EN LA ATMÓSFERA

(Introducción a la climatología, P. Pagney, pag 17-18). La temperatura del aire seco disminuye aproximadamente UN grado cada 100 mts según se asciende en los primeros km. de atm. Si el aire está saturado de humedad la disminuución ascendente de Tª es 0,5º/100mts. En general suele tomarse un gradiente térmico intermedio que Gandullo (1994) establece en 0,65º/100mts. Estos gradientes se mantienen pueden variar en las capas bajas, cercanas a la corteza terrestre (2 a 3 km. en general), en las que las temperaturas se ven condicionadas por la distribución de océanos y zonas terrestres, y la altitud estas últimas. En latitudes templadas (30 a 60º) el gradiente altitudinal se mantiene unos 10-12 km. de altitud, alcanzándose ahí temperaturas cercanas a los -50ºC. La secuencia térmica altitudinal de la atmósfera sería la siguiente: ALTITUD(km.) 0 a 10 10 a 30 30 a 55 55 a 80 >80

INTERVALO DE Tª (ºC) +12 a -50 -50 (ligeros aumentos al ascender) -40 a +30 +30 a - 90 de –90 en aumento, aunque la escasez de aire hace que se pierda el concepto de Tª

Denominación capa Troposfera Estratosfera Estratosfera Mesosfera Termosfera

Estas variaciones tan claras en la temperatura son la base principal de la división en capas de la atmósfera como se ve en el siguiente punto.

2.1.4

ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA

En función de que puedan considerarse capas con gradientes térmicos continuos, o se presenten discontinuidades, se distinguen y caracterizan las siguientes capas. La Troposfera es la capa atmosférica en la que se desarrolla la vida, contiene casi todo el vapor de agua y CO2 , con lo que es la capa que evita las perdidas de calor de la superficie terrestre. Además en ella (y en la tropopausa) se originan la mayoría de los fenómenos con repercusión en la meteorología de la superficie terrestre. Su composición Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 7 de 27

cualitativa es bastante homogénea debido a la presencia de corrientes ascendentes-descendentes que mezclan bien todos los gases. La zona superior de la troposfera (de 5 a 10 km. aprox) y la tropopausa (capa límite) constituyen la llamada TRAMPA FRÍA, denominada así porque condensa la mayor parte del vapor de agua que asciende por la atmósfera, evitando que este H2O alcance capas superiores en las que el agua puede ser descompuesto por fotodisociación, escapando el H2 fuera de la atmósfera, y produciéndose una pérdida neta de agua (El Clima, Kasting, pag.16) En la tropopausa se originan las corrientes de chorro (JETS) de gran importancia para la circulación atmosférica. En la parte superior de la estratosfera se encuentra (entre los 35 y 55 km) la capa de ozono, que filtra la mayor parte de los rayos UV. La energía que produce la absorción de estos rayos es la que provoca el calentamiento de esta capa. En la mesosfera se alcanzan las Tª más bajas de la atmósfera (-90ºC) y abundan las formas disociadas, monoatómicas de los gases del aire (sobre todo N, O, y H), debido a la fotodisociación que provocan los UV. La termosfera suele dividirse en más capas atendiendo a otros criterios no térmicos (Exosfera, termosfera, ionosfera, 1ªcapa de Van Allen y 2ª capa de Van Allen). Su interés para la física es grande

2.1.5 ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA EN CUANTO A SU COMPOSICIÓN QUÍMICA

La composición química de la atmósfera se mantiene estable hasta una altitud de unos 100 km; aunque lógicamente la concentración de partículas decrece, se mantienen las proporciones de O2 y N2, por lo que se denomina a esta zona HOMOSFERA. Entre 100 y 1000 km de altitud predominan los gases ligeros H2, He, N2 en la zona que se denomina HETEROSFERA. Por último a partir de los 1000 km existen trazas de moléculas ligeras que escapan del campo gravitatorio terrestre y constituyen la exosfera.

2.1.6 LA ENERGÍA RADIANTE EN LA ATMÓSFERA: EMISIÓN, ABSORCIÓN Y REFLEXIÓN 2.1.6.1 Emisión

(Gandullo, 1994, pag. 18) A la hora de comprender la dinámica de la atmósfera, es necesario conocer cual es la fuente de energía que origina los cambios generales en la situación general de la atmósfera. Esta energía procede del Sol, que es una estrella viva (incandescente), con una temperatura en su corona exterior de unos 6.000ºK, y emite su energía en forma de radiaciones electromagnéticas que, a diferencia de otras formas de Página 8 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

transmisión del calor (convección, conducción) son capaces de atravesar el espacio (se transmiten en el vacío). Estas radiaciones solares tienen longitudes de onda comprendidas entre 0,17 y 5,3 micrómetros, que corresponden a los rayos ultravioleta (UV, de 0,17 a 0,4 micras), el espectro visible (0,4 a 0,78) y el infrarrojo cercano (NIR, de 0,78 a 5,3 micras)

2.1.6.2 Absorción

La capa de ozono de la estratosfera superior absorbe el 99% de los rayos UV. (100% de la radiación de alta energía y algo menos de las frecuencias menores, con longitud de onda de 0,29 a 0,43 micras), y se considera que el conjunto de capas por encima de la tropopausa absorbe aprox. el 50% de las radiaciones visibles y NIR. La medición de la energía que entra en la troposfera (biosfera) después de las citadas pérdidas tiene un valor medio de 1,94 (aproximadamente 2) cal/cm2/minuto o 1,31 kw/m2. A este valor se le denomina constante solar, y se mide sobre una superficie teórica que estuviera perpendicular a los rayos del sol a la altura de la tropopausa. Una vez dentro de la troposfera la radiación solar es absorbida por el vapor de agua y el CO2, sobre todo la radiación correspondiente al NIR, ya que el espectro de absorción de radiaciones para el vapor de agua es: (para el CO2 es muy parecido) ESPECTRO DE ABSORCIÓN DE RADIACIONES DEL VAPOR DE AGUA

0

CASI TRANSP.

OPACO 3

7

PARC. OPACO

TRANSPAR 8,5

PARC. OPACO

OPACO

11 14 80 longitud de onda en micrómetros

Como puede apreciarse, H20 y CO2 absorben las radiaciones solares entrantes en la zona lejana del NIR (de 3 a 5,3 micras), y absorben una pequeña parte de longitudes de onda más cortas (visible y cercano NIR). De la radiación que llega a la superficie terrestre una parte se reflejará directamente y otra parte será absorbida, produciendo el calentamiento de la corteza terrestre. Por lo tanto la Tierra emitirá tendrá que disipar este calor (si no sufriría un recalentamiento progresivo), y lo hace en forma de radiación IR, con unas longitudes de onda entre 3 y 80 micras, habiendo un máximo a 10 micras. El hecho de que la zona de λ= [8,5-11] del espectro no es absorbida por H20 y CO2 , permite que por ahí escape parte del calor terrestre (gracias a eso la Tierra no se recalienta en exceso); a este fenómeno se le denomina la VENTANA INFRARROJA. Las radiaciones que absorbe la troposfera, ya provengan del Sol o de la Tierra, gracias a su contenido en H20 y CO2 también son reemitidas, yendo: •

una parte de nuevo a la corteza terrestre (se evitan pérdidas excesivas de calor nocturno) Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 9 de 27

•

el resto al espacio exterior

2.1.6.3 Reflexión

Además de ser absorbida por los gases de la atmósfera, la radiación solar también puede ser reflejada de nuevo hacia la atmósfera exterior, sin que llegue a alcanzar la superficie terrestre. El coefte. de reflexión de la radiación se denomina ALBEDO, y depende de •

tipo de radiación (λ,longitud de onda)

•

del ángulo de incidencia

•

las partículas que componen la superficie sobre la que incide la radiación

Se da a continuación una tabla con los albedos más importantes. TIPO DE SUPERFICIE Nubes Partículas en suspensión en el aire SUELO DESNUDO Tierras negras Tierras arcillosas (rojizo-verdosas) Tierras arenosas SUELO CON VEGETACIÓN Herbáceas Frondosas Coniferas Nieve Agua

ALBEDO 60% 12,5% 8 a 14% 16 a 23% 18 a 43% 19 a 26% 12 a 18% 8 a 14% 70 a 90% 2%

Estos albedos han sido medidos para un ángulo de incidencia i=90º, que es el que produce albedos menores; así, el agua que es casi transparente para rayos de sol verticales, alcanza un albedo del 35% para i=10º, y un 65% para i=4º. A diferencia de las nubes, las partículas en suspensión del aire estan siempre presentes, y la intercepción de los rayos solares que producen hace que la atmósfera (el cielo) tome color azul. Se puede establecer un albedo total medio (energía reflejada por la Tierra y su atmósfera), que sería: A= An+Aa+At

An: albedo nubes Aa: albedo impurezas atmósfera At: albedo superficie terrestre

Se estima que el albedo medio de las nubes (en unos sitios hay nubes y en otros no) es responsable de al menos 3/4 del albedo total terrestre, repartiéndose el resto entre Aa y At a partes similares (10 a 12% del total cada uno).

Página 10 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

2.1.7

EL VIENTO

2.1.7.1 Definición y caracterización

Se define el viento como el movimiento horizontal de una masa de aire de la atmósfera como consecuencia de una variación entre las presiones, corregidas al nivel del mar, de dos puntos de la Tierra. Las magnitudes que caracterizan al viento son: VELOCIDAD: se mide en m/s, km/hora o en nudos (millas náuticas/hora); 1 m/s=2 nudos. La velocidad del viento depende de: . la intensidad del gradiente de presiones; a mayor gradiente mayor velocidad . la latitud de la zona: a menor latitud mayor velocidad, hasta una latitud próxima al Ecuador, donde desaparece esta tendencia. DIRECCIÓN: La dirección del viento es aquella desde la viene el viento (barlovento). A medida que se aumenta en altitud en la troposfera la dirección del viento dominante es del oeste. En la superficie las direcciones de los vientos vienen determinadas por la estabilidad atmosférica existente en cada momento; en cada zona de la Tierra suelen existir unas direcciones de vientos predominantes. OTRAS MAGNITUDES: según la finalidad para la que se realice la medición de los vientos pueden evaluarse: velocidad media, horas de viento, velocidad punta, etc. Los vientos tienen una gran importancia en climatología por : •

ser los responsables del transporte de la humedad atmosférica y del reparto del calor terrestre.

•

potenciar los efectos de la temperatura (sensación térmica más fría o más caliente debida al viento) o de la humedad ambiente (vientos desecantes)

2.1.7.2 Principales fuerzas que originan el viento

El viento es el resultado del equilibrio entre la fuerza que origina el movimiento del aire, la fuerza de gradiente de presiones (f.g.p.), y otras fuerzas originadas como reacción al mismo movimiento. La principal fuerza actuante en la formación del viento, además de la f.g.p., es la fuerza de Coriolis o fuerza desviadora. Esta fuerza afecta a la trayectoria de cualquier cuerpo en movimiento dentro de un sistema en rotación, como es la Tierra. La fuerza de Coriolis hace que todas las trayectorias tiendan a curvarse en sentido opuesto al de la rotación del sistema; por tanto, (recordando la regla de la mano derecha, dedo pulgar apunta según la dirección del vector rotación omega, entonces dedo anular marca la dirección de giro del sistema): •

EN EL HEMISFERIO NORTE, donde el vector rotación sale de la superficie terrestre, el sentido de rotación es antihorario, por lo que la fuerza de Coriolis actuará en SENTIDO HORARIO O HACIA LA DERECHA. Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 11 de 27

•

EN EL HEMISFERIO SUR, donde el vector rotación entra en la superficie terrestre, el sentido de rotación es horario, por lo que la fuerza de Coriolis actuará en SENTIDO ANTIHORARIO O HACIA LA IZQUIERDA.

La fuerza de Coriolis es siempre perpendicular al desplazamiento y es proporcional a la velocidad de desplazamiento de la masa. EN RESUMEN, puede decirse los siguiente en cuanto a los vientos en el HEMISFERIO NORTE : En los núcleos de bajas presiones el viento gira en sentido antihorario y tiene una tendencia convergente (hacia el centro de la baja presión. En los núcleos de altas presiones el viento gira en sentido horario y tiene una tendencia divergente (hacia el exterior del centro altas presiones).

B

A

2.1.7.3 Clasificación de vientos

Vientos regionales En función de la orografía y el clima de cada zona del Mundo, aparecen vientos característicos, que a menudo modifican fuertemente la climatología ‘habitual’ de la zona. Se pueden citar : vientos fríos : mistral (francés), la tramontana (Cataluña), el cierzo (Aragón) vientos cálidos y secos: fohen (alemán), terral (Costa del Sol), viento sahariano (sur de España), levante (Cádiz). vientos húmedos : ‘llovedor’ (viento SO u O en la Meseta), el Poniente (Andalucía Occidental) Brisas y vientos térmicos El calentamiento de la superficie terrestre por acción de los rayos solares, hace que se caliente el aire en contacto con el suelo y tienda a ascender, con un doble efecto :

Página 12 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

• se produce circulación de aire desde zonas más frescas hacia el punto donde se produce el calentamiento ; (por ejemplo desde el mar a la costa, o desde una umbría a una solana, o en un incendio forestal) • las turbulencias producen mayor rozamiento entre las capas inferiores y superiores de la atmósfera(a más de 500 m. de altura sobre el suelo) ; en capas superiores el viento es en general más fuerte, por lo que al aparecer este mayor rozamiento, las capas superiores tenderán a ‘arrastrar’ más a las inferiores, produciéndose un mayor viento cerca del suelo. Esto explica la diferencia entre la intensidad creciente de los vientos diurnos, y las calmas nocturnas. Las corrientes en chorro Los vientos vistos tienen lugar en la zona baja de la troposfera, pegando a la superficie terrestre ; existen otros vientos que se desarrollan en la zona superior de la troposfera y en la tropopausa que se denominan corrientes en chorro o jets. Las corrientes en chorro se deben principalmente a la fuerte variación del espesor de la troposfera que ocurren en latitudes medias. Al hacerse menor el espesor troposférico según se avanza hacia el norte, se crea a una altitud de 9.000 a 10.000 m. un gradiente de presiones muy fuerte, que origina vientos de velocidades medias superiores a los 100 km/h. (hasta 500 km/h) Las corrientes de chorro tienen un papel fundamental en la formación de borrascas y anticiclones.

Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 13 de 27

2.2

NOCIONES DE CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

2.2.1

DEFINICIONES Y GENERALIDADES

Def.: Presencia en el aire de materias o formas de energía que implique riesgo, daño o molestia grave para personas y bienes de cualquier naturaleza (Ley 38/1972 de 22 de diciembre, de Protección del Ambiente Atmosférico, actualmente vigente). La presencia de contaminantes suele medirse en microgramos/m3 de aire o en ppm. Clasificación de los contaminantes atmosféricos • • • • • • •

Sustancias químicas Primarios: emitidos directamente a la atmósfera; su foco emisor es identificable. Secundarios: se forman en la atmósfera por reacciones químicas. Formas de energía Calor Ruido Radiaciones diversas

Principales contaminantes: •

Compuestos de azufre

•

Halocarburos

•

Oxidos de nitrógeno

•

Metales

•

Oxidos de carbono

•

Fluoruros

•

Partículas o aerosoles

•

Otros

•

Hidrocarburos

•

Olores...

2.2.2 DESCRIPCIÓN DE LOS GRUPOS DE CONTAMINANTES PRIMARIOS MÁS IMPORTANTES 2.2.2.1 Compuestos del azufre

Los contaminantes de este grupo son SO2, SO3, H2SO4, H2S; los más emitidos por el hombre son los dos primeros. SO2 es el compuesto que más se emite. Gas incoloro no inflamable de olor fuerte e irritante en [SO2]>3 ppm. Es más pesado que el aire, pero se difunde bien en la atmósfera. Su vida media en la atmósfera es de días; tiende a combinarse con el agua dando H2SO4 que provoca la lluvia ácida. A partir de concentraciones de 250 µg/m3 provoca enfermedades respiratorias infantiles y con 500 µg/m3 el problema afecta a la población adulta. Página 14 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

Provoca daños a la vegetación y corrosión de metales. SO3 se emite en compañía del SO2 pero en cantidades mucho menores; es muy inestable y se combina con el agua de forma similar al Dióxido de azufre. Gas incoloro. Las fuentes de estos contaminantes son: •

Combustión de carburantes fósiles en focos estacionarios (carbón y fuel-oil de centrales energéticas, procesos industriales, calefacciones).

•

Combustión de cualquier sustancia que contenga azufre

•

Procedente de fuentes naturales (97%): descomposición de la materia orgánica (≈70%), océanos (≈30%) y actividad volcánica ( 5 g/m3 ligeros δ < 5 g/m3 abundantes más de 1000 ppm en la corteza terrestre trazas menos de 1000 ppm en la corteza terrestre

Entre los motivos que convierten los metales en tóxicos peligrosos se pueden citar: a) Persistencia: se trata de elementos simples que no son degradados ni química ni biológicamente; pueden formar compuestos de alteración cuya toxicidad sea menor o mayor que la del elemento puro, pero el metal siempre es recuperable. b) Estabilidad: pueden ser transportados a grandes distancias tanto por aire como por agua hasta entrar en un organismo vivo. Del mismo modo, dentro de los organismos vivos su ritmo de eliminación es lento, por lo que se transmiten dentro de la cadena trófica, acumulándose en los animales que ocupan su parte alta. c) Efectos crónicos: el hombre tiende a acumular metales en su organismo, pues estos pueden tener una permanencia de varios años, pudiéndose producir efectos fatales al alcanzar una cierta concentración. Origen de la contaminación metálica Los procesos que hacen aparecer metales en la atmósfera pueden ser: •

Combustión de carburantes fósiles; el carbón libera Ni, Cr, Zn, Hg, Sn y otros; las gasolinas liberaban plomo, utilizado como aditivo antidetonante, pero en la actualidad se les añaden compuestos oxigenados (alcoholes en general).

•

Minería: las menas metálicas expuestas al aire y los depósitos de residuos mineros sufren meteorización acelerada y pueden liberar metales en forma de gases o de partículas en suspensión.

•

Industria metalúrgica: liberan gases y partículas en los procesos de fundición y refino.

•

Corrosión y desgaste de materiales metálicos: materiales corroídos por su exposición al exterior, baterías gastadas (Pb, Hg, Cd, Ni).

•

Incineración de residuos. Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 19 de 27

•

Liberación directa: fumigaciones con compuestos de Hg.

•

Industria nuclear y espacial: materiales radiactivos residuales.

En general la atmósfera es una zona de paso para estos metales que generalmente terminan depositándose en las aguas. El plomo Es el metal más importante como contaminante atmosférico, presentándose en forma de suspensión, en partículas de unas 3 micras. El plomo tiene múltiples aplicaciones industriales: pigmentos, vidrio, baterías, cañerías y otros productos químicos. Su liberación a la atmósfera se debe básicamente a: centros metalúrgicos, minería, gasolinas (en descenso), incineradoras y la industria nuclear. Tiene una permanencia en el organismo de 2 a 4 años, y su presencia impide la formación de hemoglobina, por lo que se manifiesta inicialmente con síntomas de anemia. Al incrementarse las dosis provoca daños cerebrales y la muerte. El mercurio Metal que se libera a la atmósfera como componente de algunos fungicidas. Tiene también diversas aplicaciones industriales como la fabricación de algunos plásticos, y también en la industria farmacéutica. Sus vapores y compuestos son muy tóxicos, al provocar inhibición encimática y graves daños al sistema nervioso. Estos daños se consideran permanentes y sin tratamiento efectivo. Su eliminación es también lenta y se acumula en el hígado y los riñones. 2.2.2.9 Olores

Afectan al hombre en cuanto a la disminución de su calidad de vida, por el malestar que provocan a la población, mucho antes de llegar a ser verdaderamente nocivos. Los olores pueden evaluarse: •

En concentración de materia olorosa en el aire (µg/m3)

•

En unidades de olor, siendo una unidad de olor la cantidad de sustancia olorosa necesaria para ser detectada por el 50% de una muestra de población de al menos 20 personas, que deben conocer el olor previamente.

Los olores pueden combatirse de diversas formas •

Disminuyendo la emisión de sustancias odoríferas.

•

Diluyendo la emisión en gran cantidad de aire limpio antes de liberarla a la atmósfera.

•

Disfrazando el olor mediante la adición de sustancias de aroma más agradable.

Página 20 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

2.2.3

CONTAMINANTES SECUNDARIOS

Las principales formas de contaminación secundaria son: •

Contaminación fotoquímica

•

Acidificación del medio

•

Pérdida de espesor de la capa de ozono

•

Efecto invernadero

2.2.3.1 Contaminación fotoquímica

Esta forma de contaminación se denomina también “Smog fotoquímico Los Angeles”, puesto que fue descrito por primera vez en esta ciudad californiana en 1944. La causa de la formación de esta neblina contaminante es la acción de la radiación ultravioleta proveniente del sol que produce fenómenos de fotólisis en moléculas de contaminantes, generándose sustancias altamente oxidantes como el ozono y el PAN (Nitrato de peroxiacilo). Los contaminantes primarios implicados son los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos. En el proceso de formación de los contaminantes secundarios se pueden distinguir tres pasos: 1. Formación de O3 en el ciclo fotolítico del NO2 NO2 + rad. UV O + O2

NO + O (muy inestable) O3

Si en la atmósfera no hay hidrocarburos que se combinen con el ozono, éste vuelve a descomponerse: NO + O3

NO2 + O2

2. Formación de radicales libres activos Si en la atmósfera hay hidrocarburos, éstos tienen fuerte tendencia a formar radicales oxigenados, que a su vez tienden a insertarse en el ciclo fotolítico del dióxido de nitrógeno de la siguiente manera: HC(R) + XO NO + ROx O3 + ROy

ROx ROy + NO2 RO-

El retraso en la última reacción hace aumentar notablemente los niveles de ozono, y por otro lado los radicales libres generados RO- son muy reactivos.

Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 21 de 27

3. Formación de productos finales Los radicales libres reaccionan con otros contaminantes, originando una mezcla de productos oxidantes como el PAN: RO- + NO2

PAN

De los productos de alto poder oxidante que se generan el ozono es el más abundante, y es el que se utiliza como indicador de esta contaminación. Los niveles de ozono presentan importantes oscilaciones a lo largo del día, en función de la intensidad luminosa y las condiciones de dispersión de la atmósfera; se consideran condiciones muy favorables para la formación de smog fotoquímico: •

situación anticiclónica

•

fuerte insolación matinal

•

vientos débiles

•

época invernal, con mayor producción de contaminantes

Todos estos contaminantes resultan irritantes para las mucosas y vías respiratorias, y tienden a desaparecer al avanzar el día, al reducirse las emisiones de NO2 y aumentar la inestabilidad atmosférica.

2.2.3.2 Pérdida de espesor de la capa de ozono

La capa de ozono se localiza en la estratosfera, siendo su concentración máxima hacia los 25-30 km de altitud (varía según autores) en las zonas templadas, y hacia los 17 km en las zonas polares. El ozono tienen una gran capacidad de absorción de radiación ultravioleta, protegiendo así a los organismos vivos terrestres, para los que esta radiación altamente energética es muy nociva. La formación del ozono tiene lugar en la estratosfera en la reacción: O2 + UV O + O2

O+O O3

La eliminación natural de este gas puede ocurrir: Por transferencia a la troposfera

O + O3

2O2 +calor

Por descomposición en la misma estratosfera

O3 + luz

O2 + O

También puede eliminarse ozono por la presencia de contaminantes que catalicen su descomposición: Siendo X

H, Br, Cl, NO, CO

X + O3

XO + O2

XO + O X + O2

El contaminante se recupera de nuevo, por lo que puede atacar a nuevas moléculas de ozono, descompensando el equilibrio existente y produciendo una reducción neta de la cantidad de O3. Página 22 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

Los principales agentes causantes de la destrucción de la capa de ozono son: •

Aviones supersónicos de vuelo supersónico (Concorde, aviones militares); producen NO2 y NO; fueron considerados como un gran peligro, pero su incidencia actual se considera escasa, debido principalmente a que este tipo de vuelos no se ha extendido comercialmente.

•

La fertilización nitrogenada en agricultura provoca la emisión de N2O que parece afectar también al ozono estratosférico

•

El bromuro de metilo utilizado para la desinfección del suelo en invernaderos, además de su toxicidad deja escapar Br hacia la capa de ozono.

•

Los gases clorofluorocarbonados utilizados como propelentes (CFCl3, freón 11) o como intercambiadores de calor (CF2Cl2, freón 12). Estos compuestos se caracterizan además por tener una gran estabilidad, con una permanencia en la atmósfera estimada en 65 a 90 años.

•

Las explosiones nucleares: lanzan enormes cantidades de gases a la atmósfera y provocan gravísimos daños en la capa de ozono, estimándose que en caso de una guerra nuclear los supervivientes podrían llegar a morir de cáncer por la acción de los rayos UV.

El espesor de la capa de ozono varía a lo largo del año de forma natural, si bien en las últimas décadas se ha observado que algunos años el tamaño del “agujero” ha aumentado sensiblemente por encima de la media. El momento más problemático es el final del invierno polar, puesto que al incidir los primeros rayos de sol sobre el Cl2: Época invernal, t< -80ºC, el Cl forma cristales estables de Cl2. Inicio primavera, tas todavía muy bajas Primavera, aumento de tª, el cloro pierde actividad

HCl + ClONO2

Cl2 + HNO3 + calor

Cl2 + luz

Cl + Cl

Cl + O3

ClO + O2

Cl2 + HNO3 + calor

HCl + ClONO2

La situación de máxima actividad correspondiente al fin del invierno – inicio de la primavera dura apenas unos días, pero se ha detectado que la acción del los rayos UV sobre el fitoplacton de los océanos ártico y antártico es muy destructiva.

2.2.3.3 Acidificación del medio

Definición: pérdida de capacidad neutralizante del suelo y el agua a consecuencia del retorno a la superficie terrestre, en forma de ácidos, de los óxidos de N y S descargados a la atmósfera. El origen de estos compuestos del nitrógeno y el azufre son las quemas de combustibles fósiles con fines energéticos principalmente. El proceso de retorno a la tierra puede realizarse por dos vías, la seca y la húmeda:

Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 23 de 27

Deposición seca Los óxidos vertidos a la atmósfera regresan a la superficie en forma de gases o aerosoles. La deposición seca es más abundante en las cercanías de los focos emisores, aunque puede desplazarse algunos cientos de kilómetros, sobre todo si el contaminante se lanza desde chimeneas a gran altura. Deposición húmeda La mayor parte de los óxidos de N y S sufren un proceso de oxidación que da lugar a la formación de ácido sulfúrico y ácido nítrico. Estos ácidos se disuelven en las gotas de agua que forman las nubes y regresan a la tierra en forma de precipitación ácida. La distancia de traslado de este tipo de contaminación puede alcanzar varios miles de km. Transformación húmeda del dióxido de azufre en ácido sulfúrico

SO2 + H2O

SO3H2

SO3H2 + ½ O2

SO4H2

Se considera precipitación ácida la que presenta pHs por debajo de 5,6 que es el pH de equilibrio con el CO2 atmosférico. En algunas zonas del Norte de Europa (Suecia, Finlandia, Escocia) y en los Estados Unidos se han medido pHs entre 2 y 3 en el agua de lluvia. Los efectos de la lluvia ácida dependen tanto del grado de acidez de la precipitación, como de las características del medio. En zonas de suelos carbonatados (formados sobre rocas calizas o dolomíticas) el efecto de la deposición ácida apenas se deja sentir, dado el gran potencial neutralizante que tienen estos suelos. Sin embargo, cuando se trate de rocas silíceas el poder tamponante del suelo frente a la acidez es mucho menor y los efectos se dejan sentir con mayor facilidad. Entre estos efectos se pueden citar: •

Movilización de metales pesados: la elevada acidez aumenta la solubilidad de estos metales que pasan así a la solución del suelo, con los problemas de toxicidad que esto puede causar (Pb, Cd, Zn, Mn, ...)

•

Movilización del ión aluminio; este catión resulta especialmente abundantes sobre suelos silíceos, es tóxico para la vegetación y facilita la “pseudosolubilización” y pérdida de la materia orgánica del suelo.

•

La fauna acuática, así como los bosques de coníferas son las formas de vida más afectadas por este tipo de contaminación.

2.2.3.4 Efecto invernadero

Ya se ha hablado de los gases que pueden producir una ganancia neta en la temperatura de la Tierra (CO2, CH4,CFCs, H2O, etc.), a causa de su espectro de absorción de radiación infrarroja. El conjunto de procesos que provocan la evolución del clima es extremadamente complejo y no puede explicarse simplemente por un aporte contaminante, habida cuenta de que el clima terrestre ha presentado un gran dinamismo a lo largo de la existencia del planeta. Por lo tanto se considera que, sin menospreciar la importancia de los gases de Página 24 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

efecto invernadero, estos procesos precisan un estudio que los aborde en un plano mucho más amplio, y no se tratarán aquí.

2.3

DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES

2.3.1

ORIGEN Y DESTINO DE LOS CONTAMINANTES

Los contaminantes atmosféricos primarios, a partir de su salida a la atmósfera entran a participar en un conjunto de procesos complejos de transporte, mezcla y transformaciones químicas que dan lugar a una distribución variable de su concentración, tanto en el espacio como en el tiempo. (Sanz Sa, 1991; “La contaminación atmosférica”) La cantidad de contaminantes existentes en un momento dado viene determinada por: [contaminación neta] = [emisión] − [autodepuración] • Los procesos de autode• puración son •

Difusión y transporte Transformaciones químicas Deposición

Estos procesos pueden actuar conjuntamente o por separado, y se describen en los puntos siguientes. 2.3.2

DIFUSIÓN Y TRANSPORTE

2.3.2.1 Factores que influyen en los procesos de difusión y transporte

Los procesos de difusión y transporte de contaminantes se definen a través de la sobreelevación, mezcla y trayectoria de la emisión, y dependen de las condiciones de emisión así como de la capacidad dispersante que la atmósfera presente. Condiciones de emisión Las variables a tener en cuenta respecto de la emisión son: •

Caudal (m3/s) y carga (g/m3) de la emisión

•

Temperatura (ºC o ºK) y velocidad (m/s) de salida de los gases

•

Altura del foco emisor sobre el suelo Variables meteorológicas

•

Temperatura del aire y su gradiente vertical

•

Velocidad del viento y su variación altitudinal Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 25 de 27

•

Dirección del viento y su variación altitudinal

•

Altura de la capa de mezcla (capa pegada al suelo en la que se producen turbulencias por la rugosidad terrestre, que facilitan la mezcla y dispersión de los contaminantes)

•

Humedad – nubosidad – precipitación.

Todas estas variables se traducen en que la emisión es sometida a una traslación vertical y otra horizontal, cuyos agentes principales son la temperatura y el viento. Se ven a continuación. Difusión vertical: la temperatura Un gradiente térmico acentuado permite el ascenso rápido de las emisiones calientes que son dispersadas por el viento. Se consideran buenas condiciones de difusión vertical gradientes de disminución de un grado o más en la temperatura, cada 100 m. Si el gradiente térmico no alcanza los citados valores las condiciones de difusión son deficientes, pudiendo incluso ocurrir que la temperatura aumente con la altitud, produciéndose lo que se denomina una inversión térmica. Estas inversiones provocan situaciones de gran estabilidad, dificultad de evacuación y por lo tanto atmósfera contaminada. Las causas de las inversiones térmicas pueden achacarse a: •

fuerte enfriamiento de la superficie terrestre después de una noche muy despejada

•

presencia de un frente cálido que aporta aire caliente en altura

•

situaciones anticiclónicas

Las inversiones térmicas no se forman: •

cuando hay vientos fuerte (turbulencias)

•

bajo cubierta de nubes (no permiten el enfriamiento terrestre, pero tampoco favorecen la circulación vertical del aire a menos que se trate de un núcleo de bajas presiones)

Las condiciones de cielos despejados y retención de contaminantes en las que se producen las inversiones térmicas favorecerán sin duda la formación de smog fotoquímico. Difusión horizontal: el viento Como ya se ha visto la aparición de vientos se debe a variaciones espaciales en la presión atmosférica terrestre, que pueden tener un carácter local debido a sobrecalentamientos que generen corrientes convectivas, o un carácter más general, por la presencia de grandes núcleos de altas y bajas presiones. En las capas altas de la atmósfera los vientos soplan de forma más continua e intensa que sobre la superficie terrestre, siendo el contraste más acusado durante la noche cuando no existen corrientes convectivas que mezclen verticalmente las capas de aire. Página 26 de 27

Ciencia y tecnología del medio ambiente Unidad II

2.3.2.2 Modelos de difusión

Los modelos de difusión tratan de estimar de forma matemática la distribución de los contaminantes en el aire. Los modelos pueden ser de diversos tipos (caja, multicaja, gausianos, numéricos), siendo los gausianos los más utilizados.

Qj ⋅e Cj ( x, y, z ) = 2π ⋅ u ⋅ σ y ⋅ σ z 2.3.3

−

y2 2⋅σ y2

( z+H )  − ( z − H2) − 2 e 2⋅σ z + e 2⋅σ z   2

2

   

TRANSFORMACIONES QUÍMICAS

Los contaminantes primarios pueden transformarse en productos secundarios, principalmente por oxidación en el seno de la atmósfera, como ya se vio en el caso de la contaminación fotoquímica, y los procesos de acidificación del medio, que son las principales transformaciones que se presentan. 2.3.4

DEPOSICIÓN

Los contaminantes atmosféricos se eliminan del aire al pasar a otro medio, por alguno de los siguientes procesos: •

Sedimentación: como proceso natural o forzada por el hombre; aplicable principalmente a las partículas en suspensión.

•

Absorción: los contaminantes en fase gaseosa pueden ser absorbidos por la superficie del suelo y por las plantas.

•

Adsorción: los cationes metálicos y los aniones pueden ser captados por el complejo de cambio de los suelos

•

Precipitación (deposición húmeda): los contaminantes pueden ser captados directamente por las gotas de lluvia o incorporarse como núcleos de condensación en nubes y niebla.

Tema 8: Introducción a la contaminación ambiental y contaminación atmosférica.

Página 27 de 27