Instituto Politécnico Nacional
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA
INGENIERÍA AMBIENTAL
TOXICOLOGÍA
GLORIA NALLELY ORTEGA REYES
Zacatecas, Zac., a 1 de Noviembre del
2013
“La información que se presenta en este blog es
con fines de divulgación del conocimiento,
siendo una interpretación del documento original que se referencia al
final, y se respetan todos los derechos de autor.”
Instituto Politécnico Nacional
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA
DE INGENIERÍA CAMPUS ZACATECAS
La contaminación atmosférica
La contaminación atmosférica es
un gran problema que desde hace muchos años comenzó a cobrar importancia debido
a que afectan en gran medida a la salud humana y el medio ambiente en general,
dañando todo tipo de ecosistemas, debilitando la capa de ozono estratosférico
de la Tierra y contribuyendo al cambio climático. Debido a esto, la
contaminación se ha estudiado y analizado para buscar posibles soluciones e
informar a la sociedad sobre las causas y daños que ocasiona para buscar maneras
de evitarla, sin embargo el problema está lejos de resolverse. Existen muchas formas
de contaminación; los contaminantes son emitidos a partir de diversas fuentes,
y algunos de ellos reaccionan entre sí para formar nuevos compuestos en el
aire. Algunos países industrializados han logrado importantes avances hacia el
control de algunos contaminantes en las últimas décadas, pero en diversos
países en desarrollo la calidad del aire ha empeorado en gran medida, debido principalmente
al rápido transporte de algunos tipos de contaminantes por todo el mundo. En
este documento se habla de los tipos más
importantes de contaminantes que afectan a la calidad del aire y al medio
ambiente, la química básica de la contaminación atmosférica y de las
actividades humanas que tienen el mayor impacto en la calidad del aire.
Químicos en movimiento.
Los científicos que estudian la
contaminación de la atmósfera se centran en la medición, el seguimiento, y la
predicción de concentraciones de productos químicos clave en la atmósfera. Hay
cuatro tipos de procesos que afectan los niveles de contaminación del aire:
- · Emisiones. Los productos químicos se emiten a la atmósfera por una serie de fuentes; emisiones antropogénicas, como la quema de combustibles fósiles; emisiones biogénicas, tales como la descomposición microbiana de materiales orgánicos; emisiones de fuentes naturales no vivientes, como erupciones volcánicas y sobre todo el polvo del desierto.
- Procesos químicos. Muchos tipos de reacciones químicas en la atmósfera pueden crear, modificar y destruir contaminantes químicos.
- · Transporte. Los vientos pueden transportar contaminantes lejos de sus fuentes, causando impactos ambientales muy lejos de las regiones en que se emiten. Esto complica el control de la contaminación del aire, lo que hace difícil distinguir los efectos causados por las fuentes locales y determinar quién debe asumir los costos y reducir emisiones.
- · Deposición. Los materiales en la atmósfera regresan a la Tierra, ya sea porque son absorbidas o recogidos en una reacción química (tales como fotosíntesis) o porque son llevados a la tierra por la lluvia, nieve o niebla.
Además, el comportamiento de la
contaminación del aire es afectado por ciertas condiciones atmosféricas como
temperatura, presión y humedad, y por los patrones de circulación global. Por
ejemplo, el transporte es más rápido en las rutas este-oeste: vientos
longitudinales pueden mover el aire en todo el mundo en unas pocas semanas, en
comparación con meses o más para intercambios de aire de norte a sur.
Los científicos pueden medir los
contaminantes del aire directamente cuando se emiten o como concentraciones en
el aire exterior. Para su seguimiento, los investigadores han creado redes de
estaciones de monitoreo de aire, que pueden ser desde tierra o montados en
vehículos, globos, aviones o satélites. En el laboratorio, los científicos
utilizan herramientas como espectrómetros láser y microscopios de electrones
para identificar contaminantes específicos.
El conocer las emisiones
contaminantes, su química así como su transporte se puede incorporar en
simulaciones por computadora (“modelos de calidad del aire”) para implementar acciones
específicas como el exigir control de emisiones en los nuevos vehículos o
combustibles más limpios que beneficiarán la calidad del aire.
Sin embargo, los contaminantes
del aire pasan a través de muchas reacciones complejas en la atmósfera y sus
tiempos de residencia varían ampliamente, por lo que no es sencillo estimar como
reducir emisiones de fuentes específicas que tendrán un impacto en la calidad
del aire a través del tiempo.
Contaminantes atmosféricos primarios
Los contaminantes atmosféricos
primarios son aquellos que se emiten directamente a la atmósfera. Pueden tener
efectos de forma directa o como precursores de contaminantes secundarios
(productos químicos formados por reacciones en la atmósfera). Entre estos
contaminantes destacan los siguientes:
·
Dióxido
de azufre (SO2): es un gas que se forma cuando el azufre se
expone al oxígeno a altas temperaturas durante la combustión de combustibles
fósiles, refinerías de petróleo, o de fundición de metales. Es tóxico a altas
concentraciones, pero sus principales efectos están asociados con la formación
de la lluvia ácida y aerosoles.
·
Óxidos de
nitrógeno (NO y NO2, que se refieren en conjunto como NOx):
son gases altamente reactivos que se forman cuando el oxígeno y el nitrógeno
reaccionan a altas temperaturas durante la combustión o la caída de rayos. Sus
principales emisiones son causadas por la combustión de combustibles fósiles. En
la atmósfera, reaccionan con los compuestos orgánicos volátiles (COV’s) y
monóxido de carbono para producir ozono a nivel del suelo. Con el tiempo, se
oxida a ácido nítrico (HNO3) que también contribuye a la deposición
ácida y a la formación de aerosoles.
·
Monóxido
de carbono (CO): es un gas inodoro, incoloro que se forma por la combustión
incompleta del carbono en el combustible. La fuente principal es el motor de
escape de los vehículos, junto con los procesos industriales y la quema de
biomasa. Se une a la hemoglobina en las células rojas de la sangre, reduciendo
su capacidad para transportar y liberar oxígeno por todo el cuerpo. La
exposición baja puede agravar dolencias cardíacas mientras que las altas
exposiciones pueden causar el deterioro del sistema nervioso central o la
muerte.
·
Compuestos
orgánicos volátiles (COV’s), incluidos los hidrocarburos (CxHy),
y otros productos químicos orgánicos son emitidos desde una gran variedad de
fuentes como la combustión de combustibles fósiles, actividades industriales y
emisiones naturales de la vegetación y los incendios. Algunos COV’s como el
benceno son conocidos como carcinógenos. Son también de interés como
precursores del ozono y de aerosoles a nivel del suelo. El metano (CH4), el COV
más simple y de larga duración, es de importancia tanto en forma de gas de
efecto invernadero y como fuente de fondo de ozono troposférico. Sus
principales fuentes antropogénicas incluyen la producción y el uso de gas
natural, la minería del carbón, la ganadería, etc.
Contaminantes atmosféricos secundarios
Los contaminantes secundarios son
aquellos que se forman cuando los contaminantes primarios reaccionan en la
atmósfera. Las formas comunes de reacciones atmosféricas son fotólisis,
descomposición térmica, reacciones bimoleculares y de tres componentes.
En la atmósfera los gases se
encuentran en concentraciones considerablemente bajas con lo que las moléculas
chocan o colisionan con poca frecuencia. Como consecuencia, la mayoría de las
reacciones implican al menos un radical libre (molécula con un número impar de
electrones y por lo tanto un electrón desapareado en su capa externa). El
electrón desapareado hace que el radical sea inestable y altamente reactivo con
otras moléculas.
Dichos radicales se forman cuando
moléculas estables se rompen, un proceso que requiere grandes cantidades de
energía. Esto puede tener lugar en cámaras de combustión debido a las altas
temperaturas, y en la atmósfera por fotólisis. La formación de radicales inicia
cadenas de reacción que continúan hasta que los radicales se combinan con otros
radicales para producir moléculas estables (átomos con un número par de
electrones).
Uno de los radicales más
importantes de la atmósfera es el radical hidroxilo (OH), (algunas veces
referido como el limpiador atmosférico), el cual se produce principalmente por
reacciones de fotólisis que descomponen el ozono troposférico aparte, y es de
muy corta duración, consumiéndose aproximadamente en un segundo mediante la
oxidación de un número de trazas de gases como el monóxido de carbono, metano y
compuestos orgánicos volátiles que no contienen metano (COVNM). Algunas de
estas reacciones finalmente regenerar OH en ciclos continuos, mientras que
otros lo agotan.
Emisiones antropogénicas, tales
como CO y COV’s, agotan el OH, mientras que otros lo aumentan como los NOx.
Su medición en la atmósfera es difícil ya que su concentración es muy baja. Debido
a que los OH afectan las tasas a las que algunos contaminantes son formados y
otros destruidos, los cambios en los niveles de OH a largo plazo tendrán graves
consecuencias para la calidad del aire.
Por otra parte, el ozono
troposférico (O3) es un contaminante secundario del aire, que es
perjudicial por ser tóxico para los seres humanos y la vegetación. Se forma en
la superficie del aire (y más generalmente en la tropósfera) por oxidación de COV’s
y CO en presencia de NOx. En este proceso los NOx y el OH
actúan como catalizadores, es decir, aceleran el ritmo de generación del ozono
sin consumirse a sí mismos.
El mecanismo de
formación de ozono en la tropósfera es totalmente diferente de la de la formación
de ozono en la estratosfera, donde el 90% del total de ozono atmosférico reside
y desempeña un papel fundamental en la protección de la vida en la Tierra,
proporcionando una protección UV. En la estratosfera, el ozono se produce a partir
de fotólisis de oxígeno. Este proceso no tiene lugar en la troposfera debido a
que los fotones UV fuertes (<240 nm) necesarios para disociar el oxígeno
molecular se agotan por la sobrecarga de la capa de ozono.
Aerosoles
La atmósfera también
contiene partículas sólidas y líquidas que se encuentran suspendidas en el aire
conocidas como aerosoles o material particulado (MP). La mayoría se encuentran
en la tropósfera inferior, donde tienen un tiempo de residencia de pocos días.
Son removidos cuando la lluvia o la nieve los llevan fuera de la atmósfera o cuando
las partículas grandes sedimentan debido a la gravedad.
Las partículas de
aerosol grandes (por lo general de 1 a 10 micrómetros de diámetro) se generan
cuando los vientos soplan sal marina, el polvo y otras partículas en la
atmósfera. Partículas finas de aerosol con diámetros de menos de 1 micrómetro
se producen principalmente cuando se condensan los gases precursores en la
atmósfera. Los principales componentes de los aerosoles finos son sulfato,
nitrato, carbono orgánico, (los cuales son producidos por la oxidación
atmosférica de SO2, NOx y COV’s) y carbono elemental
(emitido por la combustión, que es también una fuente importante de partículas
de carbono orgánico). Aquellas partículas que absorben la luz emitida por la
combustión se llaman carbón negro u hollín y son agentes importantes para el
cambio climático y peligrosas para la salud humana.
Las altas
concentraciones de aerosoles son una causa importante de enfermedad
cardiovascular y también se sospecha que causan cáncer, siendo las partículas
finas amenazas especialmente graves, ya que son lo suficientemente pequeñas
para ser absorbidas profundamente en los pulmones e incluso en el torrente
sanguíneo.
También tienen
importantes efectos radiactivos en la atmósfera. Las partículas se dice que
dispersan la luz cuando alteran la dirección de los haces de radiación sin
absorberla. Este es el principal mecanismo de limitación de la visibilidad en
la atmósfera. Las moléculas de aire son dispersores ineficientes debido a que
sus tamaños son órdenes de magnitud más pequeñas que las longitudes de onda de
la radiación visible (0,4 a 0,7 micrómetros). Las partículas de aerosol, por el
contrario, son dispersores eficientes. Cuando la humedad relativa es alta, los
aerosoles absorben agua, lo que provoca que se hinchen y aumenta su área de
sección transversal para la dispersión, creando neblina. Sin contaminación por
aerosoles nuestro alcance visual sería típicamente alrededor de 200 kilómetros.
Tienen un efecto de
enfriamiento en el clima de la Tierra cuando dispersan la radiación solar
debido a que cierta luz dispersada se refleja de vuelta al espacio. Las grandes
erupciones volcánicas que producen grandes cantidades de aerosoles en la
estratosfera, pueden reducir notablemente las temperaturas promedio de la
superficie mundial durante algún tiempo después. En contraste, algunas
partículas de aerosol, tales como el hollín, absorben la radiación y tienen un
efecto de calentamiento.
Las mediciones de las
concentraciones de aerosoles son difíciles, porque las partículas son difíciles
de recolectar sin modificar su composición. Los científicos han mejorado la capacidad
para detectar y caracterizar los aerosoles combinado técnicas ópticas y de espectrometría de masa que analizan la
composición de las partículas individuales directamente en un flujo de aire.
Smog
Existen dos grandes
tipos: smog industrial y smog fotoquímico.
Por lo general, el smog
industrial también llamado smog gris o negro se desarrolla bajo condiciones frías
y húmedas. Las bajas temperaturas son a menudo asociadas con las reservas que
atrapan la contaminación cerca de la superficie. La alta humedad permite una
rápida oxidación del SO2 para formar ácido sulfúrico y partículas de
sulfato.
Normas de contaminación
del aire en los países desarrollados han reducido los eventos de smog
industrial, pero el smog fotoquímico sigue siendo un problema persistente,
impulsado en gran medida por las emisiones de vehículos. El smog fotoquímico se
forma cuando los NOx y COV’s reaccionan en presencia de la radiación solar para
formar ozono. La radiación solar también promueve la formación de partículas de
aerosoles secundarios de la oxidación de NOx, COV’s y SO2. El smog
fotoquímico normalmente se desarrolla en verano (cuando la radiación solar es
más fuerte) en condiciones de estancamiento promovidos por las inversiones de
temperatura y vientos débiles.
El ozono y los
aerosoles son los dos principales riesgos para la salud del smog fotoquímico.
El ozono es invisible, pero las partículas de aerosoles dispersan la luz solar,
y son responsables de la niebla blanquecina asociada con smog.
