UNIDAD 2. RECURSOS DE LA NATURALEZA

2. ATMOSFERA

El ambiente está constituido por biosfera (seres vivos), atmósfera (gases) e hidrosfera (ríos, océanos, mares y lagos). La relación de masa es 1:300: 69.100. La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve la tierra y se extiende alrededor de unos 1000 Km por encima de la superficie terrestre, actuando como un acumulador y regulador de la energía que recibimos del sol. Sin la atmósfera no fuera posible sobre la tierra, la vida tal como hoy existe.

2.1 PROPIEDADES DE LA ATMOSFERA

A causa de la refracción que experimenta la luz en las moléculas de la atmósfera, marchando en todas direcciones, se originan los fenómenos de iluminación como los conocemos en la superficie de la tierra. A no ser por la atmósfera, el tránsito del día a la noche sería instantáneo. La atmósfera sirve de protección contra los meteoritos que a causa de la gran velocidad con que atraviesan el aire, se calientan y estallan convirtiéndose en polvo cósmico, llegando muy pocos a la superficie de la tierra. La atmósfera también funciona como reguladora del calor solar, pues absorbe 6/10 partes, las cuatro restantes llegan a la superficie, la calienta y son indispensables fuentes de vida.

2.2 COMPOSICION

En la atmósfera primitiva sería lógico hallar numerosos compuestos de Hidrogeno, ya que este elemento es el mayor constituyente del universo y muy común en el espacio. La abundancia de los gases de Hidrógeno en la atmósfera de los grandes planetas, en la de Júpiter, por ejemplo, sugiere que este gas debió ser común en la primitiva atmósfera terrestre. Se plantea la hipótesis de que la vida se originó en una atmósfera de naturaleza reductora. El paso de la atmósfera primitiva a un segundo tipo de aire implica la formación de cantidades relativamente grandes de Oxígeno libre. Este elemento es esencial para los procesos vitales de numerosas reacciones oxidativas que tienen lugar hoy en la tierra. El aumento de oxígeno destruyó el Metano, quemándolo y originando el CO2, el NH3 oxidándolo para producir Nitrógeno libre, el Hidrógeno se combinó con el Oxígeno originando el H20, la cual posteriormente se precipitó sobre la superficie.

A corto plazo, la composición de la atmósfera es fija y prácticamente su contenido es constante. A largo plazo hay elementos que sufren variaciones: por ejemplo, el dióxido de carbono aumenta en una proporción de 0.7 ppm/año (partes por millón por año), como consecuencia de las combustiones de carácter industrial y de la respiración.

La masa total de la atmósfera es de 5.6 x 1016 Ton, y es 250 veces inferior a la del total del agua existente en el planeta. El 99.5% de esta masa esta concentrada en los primeros 100 Km de la atmósfera y el restante 0.5% en los siguientes 900 Km. A causa de esta masa enorme, también los componentes traza se hallan en cantidades totales relativamente grandes. Por ejemplo, el ozono está presente a un nivel de solo el 2 x 10–6 %; pero el peso total en la atmósfera que representa este reducido porcentaje es de 190 millones de Ton.

La tabla 1 muestra la composición de la atmósfera limpia y seca y el peso total aproximado de los diversos constituyentes. Además de los componentes mencionados el aire tiene cantidades de agua, polvo meteórico, cloruro de sodio, polen, bacterias, esporas y HCl (Tabla 2).

Tabla 1. Composición de la atmosfera limpia y seca y peso total aproximado de los diversos constituyentesCOMPONENTE

FORMULA NOMBRECONCENTRACION

(% En volumen)PESO TOTAL

(Millones de toneladas)N2 Nitrógeno 78.09 4.22 x 10+9

02 Oxígeno 20.95 1.29 x 10+9

Ar Argón 0.93 7.20 x 10+7

CO2 Dióxido de carbono 0.032 2.70 x 10+6

Ne Neón 0.0018 7.00 x 10+4

He Helio 1.5 x 10-4 4.60 x 10+3

CH4 Metano 1.5 x 10-4 4.60 x 10+3

Kr Kriptón 1.0 x 10-4 1.62 x 10+4

H2 Hidrógeno 5.0 x 10-5 1.90 x 10+2

N2O Oxido Nitroso 2.0 x 10-5 1.70 x 10+3

CO Monóxido de carbono 1.0 x 10-5 5.40 x 10+2

Xe Xenón 8.0 x 10-6 2.00 x 10+3

O3 Ozono 2.0 x 10-6 1.90 x 10+2

NH3 Amoniaco 6.0 x 10-7 21N02 Dióxido de Nitrógeno 1.0 x 10-7 9NO Oxido Nítrico 6.0 x 10-8 3SO2 Dióxido de Azufre 2.0 x 10-8 2H2S Acido Sulfhídrico 2.0 x 10-8 1

Fuente: STOKER H. SEAFER S. Química Ambiental. Contaminación del aire y del agua.

2.3 CAPAS ATMOSFERICAS

La atmósfera posee varias regiones entre las cuales tenemos (Figura 1):

Tabla 2. Comparación entre aire puro y aire contaminado

COMPONENTE AIRE PURO AIRE CONTAMINADOMaterial particulado 10 - 20 µg/m 3260 - 3200 µg/m3

Dióxido de azufre (SO2) 0.001 - 0.01ppm 0.02 - 3.2 ppmDióxido de carbono (C02) 300 - 330 ppm 350 - 700 ppm

Monóxido de carbono (CO) 1 ppm 2 - 300 ppmÓxidos de nitrógeno 0.001 - 0.01ppm 0.3 - 3.5 ppm

Hidrocarburos 1 ppm 1 - 20 ppmOxidantes totales 0.01ppm 0.01 - 1 ppm

NOTA: Estos niveles aumentan dependiendo del sitio. Óxidos de Nitrógeno: N20 Oxido nitroso.

NO Oxido nítrico. N02 Oxido de nitrógeno o dióxido de nitrógeno.

Hidrocarburos: Constituidos por el C e H del C1 a C4 son gases de C5 en adelante son líquidos o sólidos. Los contaminantes son los menores de 12 carbonos. Los Hidrocarburos pueden ser:

- Aromáticos: poseen anillos bencénicos (benceno, tolueno, etc.) - Alifaticos: Presentan cadenas de C (metano, etileno, isopreno, etc.)

2.3.1 Troposfera: Es una franja que va desde la superficie de la tierra hasta los 13 Km. de altitud. En ella se efectúa casi la totalidad de los fenómenos atmosféricos: Tormentas, lluvias, granizo, formación de nubes, vientos, etc. La temperatura va disminuyendo con la altura a una tasa media de 0.6 ºC cada 100 mt. El vapor de agua, el gas carbónico y las impurezas se acumulan en la troposfera, especialmente en sus 3 primeros Km. En esta zona se encuentra el 75% de la masa total de la atmósfera. Allí se acumulan todos los productos de la actividad humana, luego es la zona contaminada de la atmósfera. A continuación de la troposfera se encuentra una región intermedia llamada TROPOPAUSA, especie de capa muy tenue, de transición, en la cual la temperatura desciende a 55ºC bajo cero.

2.3.2 Estratosfera: Es una capa 3 veces más ancha que la anterior, abarca hasta los 50 Kms. pero sólo contiene el 15% de la masa total; en ella existen tan solo vestigios de vapor de agua y virtualmente libre de nubes. Su temperatura es constante, su densidad disminuye hacia arriba de tal forma que cada 6 Km se reduce a la mitad.

Figura 1. Cambios de la temperatura con la altura

A partir de los 16 Kms. se extiende la capa de mayor ionización de rayos cósmicos. En esta zona ocurren los cambios químicos. Por ejemplo, en la parte superior de la estratosfera se genera ozono, que absorbe el exceso de las radiaciones ultravioletas de la luz solar y hace posible la vida en la tierra. El ozono se forma por fotodisociación del oxígeno molecular, con radiación ultravioleta proveniente del sol.

O2 ⇒ O + O y O + O2 ⇔ O3

Los contaminantes tienden a permanecer en esta región debido a la distribución constante de la temperatura. El límite superior de la estratosfera está formado por la ESTRATOPAUSA, en donde se halla la máxima concentración de ozono.

2.3.3 Mesosfera: Abarca hasta los 93 Kms. y su masa es del 5%. A los 35 Kms. el color azul del cielo se oscurece y a los 45 Kms. el sol y las estrellas brillan con extraordinaria intensidad en un cielo totalmente negro. La temperatura crece y a 75 Kms de altura desciende a 76ºC bajo cero. En la mesosfera también se forma ozono, se observan diversas reacciones fotoquímicas y se produce la transformación de la mayor parte de la radiación cósmica primaria en secundaria. El límite superior de la mesosfera es la MESOPAUSA, donde se han observado nubes ocasionales.

2.3.4 Ionosfera: Abarca hasta los 600 Kms. La gravedad se encuentra tan disminuida que los fenómenos físicos salen de la esfera del equilibrio termodinámica para depender del control solar directo. Existe allí partículas producidas por radiaciones ultravioletas, con carga eléctrica (ionizadas) en el seno de un gas muy enrarecido. Algunas subcapas de la Ionosfera reflejan las ondas electromagnéticas que son de gran importancia en las radiocomunicaciones.

2.3.5 Exosfera: Abarca hasta los 1500 Km. región de ionización intensísima de efectos mortíferos sobre todo a partir de los 1000 Km. En sus zonas superiores los átomos y moléculas en movimiento no entran en colisión a no ser que desciendan a niveles más bajos por efectos de la gravedad pero, si están dotados de suficiente velocidad, pueden sustraerse a la acción de la gravedad y alejarse del planeta.

2.4 CONTAMINACION ATMOSFERICA

La contaminación atmosférica no es un hecho reciente. Constituye uno de los problemas que afronta la humanidad y que tiende a adquirir proporciones alarmantes, y que se puede convertir en una amenaza para la vida vegetal, animal e incluso del hombre. Los principales efectos de la contaminación atmosférica recaen sobre la salud humana. En las grandes ciudades con una alta contaminación atmosférica la longevidad humana se ha reducido como consecuencia de los efectos sobre las vías respiratorias, tales como bronquitis crónica, asma, tuberculosis y cáncer de pulmón. Las lesiones también se extienden al aparato circulatorio, al sistema nervioso vegetativo central, a la cronicidad de las enfermedades, a la irreversibilidad de las acciones de los diversos contaminantes y a las alteraciones genéticas.

El efecto también se extiende a las especies vegetales y animales. La acción de la contaminación atmosférica no se limita al área inmediata urbana o de la fábrica, sino a las zonas agrícolas y a los bosques naturales. También, la contaminación atmosférica puede ocasionar cambios importantes en el clima y en las condiciones atmosféricas.

2.4.1 definición de contaminación: La contaminación es toda la emisión de sustancias gaseosas, líquidas y sólidas, cualquiera que sea su origen, que tenga un efecto perjudicial en la salud humana, en los animales, en las plantas, en los bienes y el ambiente y en nuestras condiciones de vida. Un contaminante es algo que al ser introducido en la atmósfera reduce el contenido de oxígeno o cambia, en forma significativa, la composición del aire. Aunque en ciertas ocasiones la atmósfera se contamina por los gases emitidos durante la actividad volcánica y los fenómenos geológicos, esto no trasciende tanto como los de origen humano, resultantes de la actividad comercial, industrial, agrícola y doméstica, que son los causantes del aumento de la concentración de los gases tóxicos, los cuales causan una serie de problemas en la salud humana.

2.4.2 Clasificación de contaminantes: Los contaminantes se clasifican según:

La Fuente: Pueden ser:

- Específicas: si proviene de áreas fijas, y - Múltiples: si provienen de áreas dispersas.

Tipos de Emisión: Pueden ser:

- Gaseosas: obedecen a las leyes de los gases, no sedimentan.- Particuladas: son sólidos finamente divididos o líquidos suspendidos en el aire y sólidos grandes, estos son sedimentables.- Polvos: Son partículas sólidas dispersas en gases, originadas por desintegración mecánica.- Humos: Son partículas pequeñas originadas por condensación de un vapor.- Nieblas: Son suspensiones de pequeñas gotas líquidas formadas por condensación de un vapor.- Aerosoles: Son nubes de partículas microscópicas y submicroscópicas en el aire (humo del cigarrillo).

Composición química:

- Inorgánicos: Pueden ser gases derivados del azufre, del carbono y del nitrógeno.- Orgánicos: Pueden ser hidrocarburos, aldehídos, cetonas y ácidos orgánicos.

2.4.3 Tipos de Contaminantes

2.4.3.1 Monóxido de carbono (CO): Es el contaminante más abundante de la Troposfera; es un gas incoloro, inodoro e insípido; insoluble en agua, de densidad 1.14 g/l a condiciones estándar; es inflamable y arde con llama azul, pero no mantiene la combustión.

Fuentes: El 90% del total de CO en la atmósfera es de origen natural, principalmente procedente de la Oxidación Atmosférica del Metano. Las reacciones son:

CH4 + O OH + CH3 ; CH3 CO

CH4 + OH H2O + CH3 ; CH3 CO

El O y el OH necesarios para que reaccione el CH4, provienen de la descomposición del Ozono y del agua respectivamente. Los océanos constituyen la segunda fuente de CO; es producido por las algas y otras fuentes biológicas y luego liberado a la atmósfera. Otra fuente natural del CO es la degradación de la clorofila. Tan solo el 10% del total del CO atmosférico es de origen antropogénico.

Importancia del CO antropogénico: Su impacto es importante porque sus fuentes se concentran en zonas urbanas, con niveles cien veces mayores que los del aire limpio. El problema se agrava en aquellas ciudades de tráfico muy intenso, de calles estrechas, con edificios altos y por tanto, mal ventiladas, impidiendo la dispersión adecuada de los contaminantes, por lo cual aumenta a nivel del suelo.

Tabla 3. Fuente del COAntropogénico 9.4Océanos 3.9Degradación de la clorofila 2.6Otras fuentes naturales 6.5

Tabla 4. Fuente del CO antropogénico

FUENTE %Transporte 75.4Quemas Forestales 11.4Procesos Industriales 7.7Incineración de Residuos 5

Química de la formación del CO antropogénico: La formación del CO antropogénico es el resultado de:

- Combustión incompleta de combustibles Carbónicos: Sucede cuando el Oxígeno es deficiente para convertirse el CO en CO2, o cuando no hay suficiente tiempo para la combustión. El motor de gasolina funciona por una combustión casi instantánea de una mezcla combustible - aire y produce CO en cantidades hasta del 7% en los automóviles nuevos.

- Reacción entre el CO2 y otros materiales ricos en Carbono.- Disociación del CO2 a alta temperatura.

Proceso 1: 2C + O2 2COProceso 2: CO2 + C 2COEsta es la misma reacción que ocurre en procesos industriales a elevada temperatura en donde el CO es requerido por ejemplo en la producción de hierro en un alto horno.Proceso 3: CO2 CO + OPor ser esta una reacción endotérmica (absorbe calor), al aumentar la temperatura aumenta el porcentaje de disociación del CO2.

Distribución del CO: Debido a que el automóvil es la fuente aislada más importante de CO, los centros urbanos muestran las mayores concentraciones ambientales de dicho gas. La concentración diaria muestra valores elevados a las horas pico. La concentración diaria depende de la tasa de emisión a la atmósfera y de las tasas de dispersión y eliminación. La tasa de dispersión depende directamente de factores meteorológicos, tales como: velocidad y dirección del viento, turbulencia del aire y estabilidad atmosférica (Figura 2). En las grandes ciudades aunque haya turbulencia por el movimiento del aire por encima y alrededor de los edificios, se da un estancamiento aéreo que conduce a una inadecuada dispersión y al consecuente incremento de la concentración del CO.

Cuando el viento sopla alrededor de los edificios, tiende a crear cavidades o bolsas de vacío y si en un radio menor de un kilómetro se encuentran chimeneas menores de 2.5 metros de altura, los contaminantes son atrapados en dichas cavidades creando problemas para los habitantes. Figura 2. Circulación global del viento Figura 3. Perfiles de temperatura en la atmósfera

La temperatura incide en la contaminación del aire y está estrechamente relacionada con la estabilidad atmosférica. De acuerdo al comportamiento de la temperatura respecto a la altura, se obtienen diferentes perfiles de temperatura, los cuales pueden ser (Figura 3):

a) Gradiente adiabático de temperatura: La temperatura disminuye con la altura (1 ºC por cada 100 metros de altura), de tal manera que cualquier movimiento vertical ejercido sobre un volumen de aire hará que este mantenga la misma temperatura o la misma densidad que el aire circundante (estabilidad neutra).

b) Superadiabática: La temperatura de un volumen de aire ascendente será superior a la del aire que le rodea y, al ser menos denso que éste, continuará ascendiendo (inestable).

c) Subadiabática: La temperatura de un volumen de aire ascendente será inferior a la del aire que le rodea y, al ser menos denso que éste, volverá a su condición inicial (estable).

d) Isotérmico: La temperatura es constante con la altura (estable).e) Inversión: La temperatura aumenta con la altura (muy estable).

En cuanto a la inversión térmica, se tienen diferentes condiciones dependiendo de la zona en que se da el aumento de la temperatura con la altura y de que tan elevada se encuentre la capa de inversión respecto a la superficie de la tierra. De acuerdo a lo anterior, se tiene:

a) Inversión de superficie: Cuando el aumento de la temperatura del aire con la altura se da a partir de la superficie del suelo (Figura 4).b) Inversión baja: Ocurre cuando se da el descenso de la temperatura del aire a cierta altura medida a partir de la superficie del suelo, pero a poca

distancia de este (Figura 5). c) Inversión alta: Al igual que en el caso inmediatamente anterior, se presenta ésta cuando desciende la temperatura del aire a cierta altura medida a

partir de la superficie del suelo, pero a mayor distancia de este (Figura 6).

Figura 4. Inversión de superficie Figura 5. Inversión baja Figura 6. Inversión altaLa altura de la fuente de contaminación estaría en función de la altura de la capa de inversión térmica. Después de que un efluente sale de su fuente de origen, por lo general, sigue elevándose. Obviamente, mientras más se eleve, menor será el grado de polución al nivel del suelo. La elevación de los contaminantes depende de los factores meteorológicos como no meteorológicos, tales como el área de la fuente y la velocidad de salida. La altura del contaminante depende también de la diferencia de temperatura entre el efluente y el aire circundante. La Figura 7 muestra la terminología comúnmente utilizada para describir el contorno de un penacho en función del tiempo y la Figura 8 deja ver el comportamiento de una pluma en función de la estabilidad atmosférica.

Figura 7. Contorno de un penacho en función del tiempo Figura 8. Comportamiento de una pluma en función de la estabilidad

Condición inestable (en forma de rizo)Condición neutra (en forma de cono)

Condición de inversión (abanico) Inestable abajo, estable arriba (fumigación)

Inversión abajo (elevado) Estable abajo, inversión arriba (atrapamiento)

El estado de la atmósfera afecta muchas de las fuentes de la contaminación. Así por ejemplo, en un día nublado la radiación solar es poca y tiene una influencia directa sobre la producción de humo - niebla (smog)

Destino del CO atmosférico: La cantidad de CO emitida en el mundo se estima en 350 millones de toneladas al año. El tiempo de residencia del CO en la atmósfera es de un mes a dos años. A pesar de las enormes cantidades descargadas al ambiente anualmente, hay procesos naturales que lo ayudan a eliminar de la atmósfera:

- Conversión a CO2, por reacción con el O2. Pero sólo se elimina el 1%.- Descomposición biológica, a partir de hongos, los cuales producen CO2.- Absorción del suelo, siempre que sea rico en materia orgánica; pero generalmente las zonas productoras de CO, son las de menor suelo

disponible.

Efecto sobre las plantas: Concentraciones hasta de 100 ppm durante tres semanas, no producen efectos detrimentales, sobre las plantas superiores. Estudios sobre el impacto del CO en las bacterias que viven en las raíces de algunas plantas, muestran inhibición de la actividad de bacterias fijadoras de nitrógeno, con exposiciones de 35 horas a 2000 ppm. Ya que los niveles de CO raramente alcanzan las 100 ppm, se concluye que el impacto no es significativo sobre la vegetación y los microorganismos asociados.

Efectos sobre el hombre: A diferencia de los demás gases contaminantes, los cuales afectan las vías respiratorias, el CO pasa directamente de los pulmones al torrente sanguíneo, interfiriendo en el transporte del oxígeno en la sangre. Debido a la afinidad con la hemoglobina se forma carboxihemoglobina. El oxígeno es desplazado de la molécula de hemoglobina, ya que el CO tiene 200 veces más afinidad por la hemoglobina que el Oxígeno. Los fumadores de cigarrillo tienen, por lo general, un nivel de carboxihemoglobina del 5% y los grandes fumadores, del 10%, lo cual produce efectos en el sistema nervioso central y cambios en las funciones cardiacas y pulmonares. Si la carboxihemoglobina está por encima del 2% y hasta el 5%, presenta un efecto deletéreo sobre la ejecución de trabajos que precisan tiempo y concentración. A niveles superiores del 5%, causa problemas personales en corazón y pulmones. Niveles mayores del 10% de carboxihemoglobina producen coma, fallo respiratorio y muerte. Los síntomas de las concentraciones altas de CO son: dolor de cabeza, mareos, cansancio, parpadea, zumbido de los oídos, náuseas, vómitos, palpitaciones, opresión en el pecho, dificultades para respirar, debilidad muscular, caídas, desmayos y finalmente la muerte. Las intoxicaciones crónicas se caracterizan por lo general por cefalea, vértigos y astenias, asociados a trastornos digestivos. La concentración máxima tolerable en el aire ha sido fijada en América del Norte por los higienistas en 50 ppm, para ambientes industriales.

Control de contaminación por CO: El mayor control debe ejercerse sobre los autos, pues son los que más contribuyen a la emisión antropogénica. Sin embargo debe tratarse en forma conjunta con los otros gases de escape (hidrocarburos y óxidos). Se están estudiando alternativas como: Modificación de los motores de combustión interna, Desarrollar reactores para colocar catalizadores en los exostos y Desarrollar productos sustitutos de la gasolina, que produzcan bajas concentraciones de contaminantes. Las alternativas más adecuadas involucran tratamientos térmicos y catalíticos, para completar la combustión hasta CO2. Se usan catalizadores de platino, paladio y zeolitas. Como sustitutos de la gasolina se presentan metano, hidrógeno, metanol. Como aditivos a la gasolina se puede usar mezclas con alcohol y/o agua.