CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

La contaminación atmosférica puede afectar tanto a escala global (macroecológica) como local (microecológica), pudiéndose situar el origen de la misma en la acción del hombre (antropogénico) o simplemente en causas naturales (telúrico). Aunque se desconoce el total de contaminantes en la atmósfera y la forma que éstos tienen de actuar, un buen número de ellos están perfectamente identificados, así como la forma de interferir con el medio y los efectos que producen. La actividad contaminante introduce ciertos desequilirios en los ciclos biogeoquímicos (carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo, ...) lo que puede llegar a provocar reacciones de consecuencias inpredecibles para la Biosfera y, por tanto, para el conjunto de nuestro Planeta, amenazando un desarrollo sostenible que pueda garantizar la pervivencia, en condiciones adecuadas, a las generaciones futuras.

Las emisiones a la atmósfera tienen lugar en forma de gases, vapores, polvos y aerosoles así como de diversas formas de energía (contaminación térmica, radiactiva, fotoquímica, etc), quedando los contaminantes suspendidos en ella y produciendo la degradación del medio ambiente en su conjunto.

El control racional de la contaminación del aire tiene su primer antecedente en cuatro suposiciones básicas desarrolladas por la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (American Association for the Advancement of Science. Air Conservation. Washington, D.C., 1965.):

1. CONTAMINANTES MÁS FRECUENTES. EFECTOS Y POSIBLES TRATAMIENTOS.

Contaminantes primarios: o emitidos directamente por la fuente, como aerosoles, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, monóxido de carbono y otros menos frecuentes como halógenos y sus derivados (Cl₂, HF, HCl, haluros,...), arsénico y sus derivados, ciertos componentes orgánicos, metales pesados como Pb, Hg, Cu, Zn, etc y partículas minerales (asbesto y amianto).

Contaminantes secundarios: se forman por reacción de los primarios con los componentes naturales de la atmósfera, existiendo una gran familia de sustancias producidas por reacciones fotoquímicas. Comprende al ozono, aldehidos, cetonas, ácidos, peróxido de hidrógeno, nitrato de peroxiacetilo, radicales libres y otras de diverso origen como sulfatos (del SO_x) y nitratos (del NO_x), la contaminación radiactiva a partir de radiaciones ionizantes o la contaminación sonora a expensas del ruido.

1.1. Aerosoles y partículas.

Constituyen una amplia gama de contaminantes formados por polvo grueso (mayor de 100 mm), polvo fino (menor de 100 mm de diámetro), vapores (0,001-1 mm) y neblinas (0,1-10 mm). Por tanto, en el aire podemos encontrar partículas desde 0,001 a 500 mm, teniendo las más pequeñas (menores de 0,1 mm) un comportamiento similar al de las moléculas, caracterizándose por grandes movimientos aleatorios causados por los choques con las moléculas de gas. Las partículas cuyo tamaño está comprendido entre 1 y 20 mm tienden a seguir el movimiento del gas por el que son llevadas mientras que si el tamaño es mayor de 20 mm muestran velocidades de sedimentación considerables por lo que el aire las arrastra durante períodos relativamente cortos.

Las partículas son un componente natural de la atmósfera e incluyen productos de procedencia variada: condensación de procesos naturales (incendios forestales, volcanes), de reacción de trazas de gases (cloruro de amonio, sales de sulfatos y nitratos) y materiales dispersados desde la superficie de la Tierra (sales de los océanos y polvo mineral de los continentes). A todas ellas hay que sumar las introducidas por el hombre como resultado de combustiones y procesos de incineración. El transporte atmosférico de partículas supone una de las mayores fuentes de dispersión de contaminantes, además de por la posible naturaleza de la partícula, sobre todo porque pueden servir de sustrato para la fijación de otras sustancias, describiéndose un intenso efecto sinérgico al proveer una superficie para la oxidación del dióxido de azufre a ácido sulfúrico, el cual puede permanecer absorbido en la misma.

Revisten toxicidad para el hombre interfiriendo frecuentemente los procesos respiratorios, ya sea por el tamaño (cuanto más pequeñas, más afectan al proceso de intercambio de gases en los pulmones), concentración, naturaleza de las mismas o porque estén asociadas a otros tóxicos. Afectan a las plantas formando depósitos sobre las hojas y llegando, a veces, a penetrar en la cadena trófica. Hacen disminuir la visibilidad, la radiación solar total recibida (de un 15 a un 30% menos en zonas urbanas fuertemente polucionadas) y alteran los niveles de precipitaciones. Su abundancia relativa varía según el medio: aire rural (70 mg/m³), urbano (300 mg/m³), fábricas y tallerres (1.000 mg/m³) y gases de central térmica (100.000 mg/m³).

Para su eliminación y tratamiento se utilizan diversos dispositivos como cámaras de sedimentación por gravedad, separadores ciclónicos (centrífugos), colectores húmedos, filtros de tela y precipitadores electrostáticos.

1.2. Monóxido de carbono.

Gas incoloro, inodoro, de menor densidad que el aire, inflamable, tóxico y muy estable (vida media en la atmósfera, 2-4 meses). Sus emisiones se estiman en más de 2.300 millones de toneladas (GKg) anuales del que un 90% es de origen antropogénico (O'Neill). No afecta a los materiales aunque sí a las plantas si su concentración supera las 100 ppm. En el hombre puede provocar la muerte cuando la concentración supera las 750 ppm, al competir con el O₂ por la hemoglobina en la respiración debido a que es 210 veces más afín que éste.

El CO es un producto intermedio en las combustiones, siendo máxima su emisión cuando se utilizan mezclas pobres de O₂. Se ha identificado también como resultado de la descomposición a elevada temperatura del CO₂ resultante. Su tratamiento adecuado requiere una buena aireación en los procesos de combustión y un control adecuado de la temperatura.

1.3. Hidrocarburos.

Las emisiones de hidrocarburos, HC, están asociadas a una mala combustión de derivados del petróleo, fundamentalmente. No se describen sus efectos sobre los seres vivos, salvo para el etileno (detiene el crecimiento de las plantas) y los hidrocarburos aromáticos (resultan cancerígenos). Contribuyen junto a los NO_x y la luz UV a la contaminación fotoquímica y al efecto invernadro. Las emisiones de metano y gas natural suponen alrededor de 500 GKg/año (Kirkwood) procedentes de descomposiciones anaerobias, extracciones mineras y escapes de instalaciones industriales y domésticas.

1.4. Óxidos de azufre, SO_x.

Se forman por la combustión del S presente en el carbón y el petróleo, en porcentajes que varían entre un 0,1 y un 5%, obteniéndose SO₂ y SO₃ en una proporción que va de 40:1 a 80:1, respectivamente. El SO₂ es un gas incoloro que resulta irritante si su concentración es superior a 3 ppm. El SO₂ puede formar SO₃ en la atmósfera por la acción fotoquímica, así como por catálisis de las partículas en suspensión. Los SO_x forman con la humedad ambiente entre el 5 y el 20% de los aerosoles urbanos, incrementando el poder corrosivo de la atmósfera, disminuyendo la visibilidad y provocando la lluvia ácida; si, además, la presencia de partículas es significativa, la salud de los seres vivos se ve seriamente amenazada. Se supone que más del 90% de la producción de óxidos de azufre en el hemisferio norte es de origen antropogénico, siendo el total mundial de emisiones anuales 100-1000 GKg, de las cuales entre 120 y 160 lo son por acción del hombre (Kirkwood).

Más del 50% de SO₂ es producido en calderas para generación de vapor. Las reacciones observadas son:

actuando de catalizador en la penúltima de ellas cloruros y sulfatos de Fe y Mn.

Para un buen control de emisiones de los SO_x se proponen las siguientes medidas:

De los más de ocho óxidos distintos que forman esta familia, tres son los que están en el aire en cantidades apreciables, N₂O (óxido nitroso), NO (óxido nítrico) y NO₂. El N₂O es un gas inerte de carácter anestésico que contribuye al efecto invernadero (absorbe 200 veces más radiación infrarroja que el CO₂) y afecta a la destrucción de la capa de ozono, incrementándose la presencia del mismo en la atmósfera como consecuencia de las emisiones procedentes de la descomposición de materia orgánica nitrogenada (nitrificación/desnitrifación), alcanzando unos niveles en el aire de 0,50 ppm. El NO es un gas incoloro e inodoro, tóxico a altas concentraciones y presente en el aire en menos de 0,50 ppm. Aunque a baja concentración su tolerancia por los seres vivos es aceptable, sin embargo es un precursor del NO₂ y por tanto responsable en parte de la contaminación fotoquímica. Su tolerancia biológica es similar al NO aunque se desconocen sus efectos sobre la salud humana.

En torno al 67% de las emisiones de NO_x (total emisiones 25-99 GKg/año) son de origen antropogénico (Kirkwood), de las cuales, más del 90% se originan en combustiones a elevadas temperaturas, tanto de fuentes estacionarias como móviles. La mayoría de las reacciones químicas de estos compuestos llevan a la obtención de HNO₃ que es vertido como lluvia ácida. Las reacciones entre el nitrógeno (tanto del aire como el que está presente en el combustible) y el oxígeno se resumen en las dos siguientes:

Mientras en la primera reacción la constante de equilibrio, K_p es muy baja (ésta sube con la temperatura posibilitando la formación de NO en numerosas combustiones), en la segunda el aumento de temperatura favorece la descomposición del NO₂, por ello en los procesos donde la temperatura convencional de la llama está entre 1500 y 2250 ^oK casi todo lo que se forma es NO (90-95%) y muy poco NO₂.

Para un efectivo control de emisiones de los NO_x se tendrá en cuenta lo siguiente:

 1.6. Contaminación fotoquímica.

Un modo de contaminación en las grandes áreas urbanas es el "neblumo" o "smog", el cual se caracteriza por un nivel relativamente alto de oxidantes que irritan ojos y garganta, ataca a las plantas, produce olores y disminuye la visibilidad. Su origen está en la interacción de la luz solar UV de 0,4 a 0,2 mm (energías de 290 a 580 KJ/mol) con algunos componentes de la atmósfera. La disociación fotoquímica se puede considerar como un proceso de dos etapas, cuyo mecanismo se resume en las siguientes ecuaciones:

Frecuentemente el estado excitado A^* es muy inestable por lo que la segunda reacción ocurre rápidamente. Por otro lado, B o C (o ambos) pueden ser altamente reactivos por lo que originarían una cadena de reacciones químicas responsables del neblumo o smog fotoquímico.

En las capas altas de la atmósfera (por encima de los 80 Km) los fotones de alta energía, en torno a 0,2 mm, disocian a las moléculas de O₂ y sólo se encuentra O monoatómico (a). A alturas menores, entre 15 y 40 Km, ozonosfera, se observan además las reacciones b) y c):

en las que la radiación entre 0,12 y 0,20 mm propicia la formación de ozono a partir del O₂ y la comprendida entre 0,20 y 0,29 mm la destrucción del mismo para formar O₂, estableciéndose un equilibrio entre la formación y la destrucción de ozono en el que la máxima concentración de éste resulta ser 0,03 ppm a unos 25 Km de la superficie terrestre, formando un verdadero filtro ante la radiación UV. (M es un sustrato aceptor de energía).

Sustancias susceptibles de ser oxidadas, entre las que se incluyen SO₂ y NO, principalmente, e hidrocarburos constituyen junto a la luz solar gran parte de la contaminación fotoquímica de la atmósfera en las capas inferiores (troposfera). Éstas son emitidas por la industria pesada y por las fuentes móviles. El NO emitido se oxida como sigue,

de modo que si la concentración de NO fuese de 1000 ppm la conversión en NO₂ sería casi completa en pocos segundos. Si fuese tan solo de 1 ppm, el 50% de conversión se conseguiría a las 100 horas. A menores concentraciones, aumenta el tiempo de conversión. Por tanto la formación de O monoatómico puede dar lugar a la formación de ozono según la ecuación b). Podemos concluir que en la troposfera la presencia de NO, y su conversión lenta en NO₂ serían precursores del O₃, aquí ya como contaminante, el cual a su vez reacciona

aunque se han sugerido otras reacciones, como es lógico, donde se forman productos intermedios de diversos óxidos de nitrógeno que a su vez pueden reaccionar con otras sustancias presentes en la atmósfera, como el vapor de agua,

abatiéndose gran parte del NO₂ por formación de gotas de HNO₃ que pueden quedar en suspensión aumentando el poder corrosivo de la atmósfera o bien volver a la corteza terrestre como lluvia ácida. No obstante, los niveles de ozono troposférico pueden alcanzar localmente valores de 0,2 a 0,5 ppm para promedios pico de 1 hora, con el consiguiente perjuicio para la salud.

La presencia de hidrocarburos, además del NO, en las capas bajas de la atmósfera propicia la formación de radicales peróxido, RCOO·, capaces de oxidar al NO hasta NO₂, dando por resultado un incremento en la producción de O₃. Igualmente, la presencia de aldehidos, cetonas, peróxidos y nitratos de acilo promueven en presencia de la luz solar la formación de radicales altamente reactivos y capaces de reaccionar con el O₂ para formar radicales peróxido (RCOO·) que convierten al NO en NO₂, favoreciendo por tanto la formación de ozono (recordar que el NO₂ es precursor del mismo) e inhibiendo la descomposición del mismo según la ecuación f).

La presencia de SO₂ puede representar un competidor del O atómico producido en la reacción e) y así detener el proceso, aunque sea a costa de la formación de SO₃. No obstante los mecanismos de estas reacciones no son aun muy conocidos.

1.7. Otros contaminantes del aire: compuestos halogenados, plomo, ozono, VOCs, organoclorados y otros.

2. ALTERACIONES MACROECOLÓGICAS EN LA ATMÓSFERA.

2.1. Lluvias ácidas.

El pH de la lluvia es 5,65 (en un medio natural en ausencia de contaminantes) debido a la presencia del CO₂. No obstante, cuando el aire contiene SO_x y NO_x por acción de los fenómenos anteriormente estudiados y en presencia de suficiente humedad, se forman los ácidos HNO₃ y H₂SO₄, responsables del fenómeno aludido. Si predomina el ácido nítrico sobre el sulfúrico, entendemos que las fuentes móviles contribuirán en mayor grado que las fijas a este tipo de contaminación.

Los NO_x y SO_x pueden viajar durante cientos de kilómetros arrastrados por corrientes de aire, en niveles próximos al suelo (inferiores a 2 Km), llegando a provocar lluvias ácidas en zonas muy alejadas. Se han detectado estos fenómenos en Terranova y en la península escandinava como consecuencia de emisiones realizadas en las zonas industrializadas más al sur, desplazándose la contaminación en dirección NE.

Las lluvias ácidas producen los siguientes efectos:

Recibe ese nombre un fenómeno asociado al hecho de que ciertos gases presentes en la atmósfera son capaces de almacenar radiación de onda larga, es decir, calor. La mayoría de esos gases proceden de fuentes naturales, aunque la proporción de tipo antropogénico no cesa de aumentar. Por ello los expertos del IPCC (Panel Intergubernamental de Cambio Climático) de la ONU predicen como inevitable un cambio climático inminente. En la última cumbre, celebrada en Kioto, se han tomado medidas para controlar las emisiones de gases efecto invernadero (principalmente CO₂), aunque como en tantas otras ocasiones se revelan insuficientes y tardías.

Según el Atomic Energy Agency del Reino Unido, la contribución del CO₂ al calentamiento global supone un 55% del total (repartido entre la desforestación con un 15%, la producción de energía eléctrica con un 11% y otro tipo de fuentes con el 29% restante), mientras el 45% restante se reparte como sigue: el N₂O con un 5%, CH₄ y otros hidrocarburos con un 20% y los CFCs con el 20% reestante. Falta el detalle de la fecha, aunque podría ser muy bien a finales de los ochenta (C.T.M.A., anuario 1996).

Gracias a la atmósfera la temperatura media del planeta es 15 ^oC en lugar de los previsibles -18 ^oC que tendríamos sin el conocido efecto invernadero. Habida cuenta que en torno al 50% de la electricidad y casi el 100% del transporte utilizan los combustibles fósiles que al ser quemados emiten al aire CO₂ y vapor de agua. Desde principios de siglo la población mundial se multiplicó por tres mientras el consumo energético lo hizo por 15, pasando de 21 a 340 exajulios (1 exajulio = 10¹⁸ julios), de los que más del 70% corresponden a los países ricos que apenas suman el 20% de la población. Así mientras un canadiense consume 40 veces más energía que un chino, éste consume el doble de un nigeriano. El total de emisiones anuales estimadas de CO₂ es 7400 MT/año (Kirkwood). Otras estimaciones sitúan esa cifra en 5.300 MT/año de C (O'Neill) o 6.000 MT/año de C (Tapia/Toharia) equivalente a unas 20-22.000 MT/año de CO₂ frente a un nivel de 720.000 MT de C (O'Neill) depositado en la atmósfera, equivalente a 2.640.000 MT de CO₂. Aunque las cifras pueden resultar mareantes, no olvidemos que las tasas de emisión de dióxido de carbono seguirán aumentando los próximos años y por tanto el ciclo del carbono se verá alterado, aumentando, previsiblemente, la concentración de dicho gas en la atmósfera y el riesgo que ello conlleva.

De la energía que nos llega del Sol (1300 w/m²), una parte es reflejada por las capas altas de la atmósfera y por las nubes (30%), otra parte es absorbida por el propio aire (19%) y el resto llega hasta la superficie de la Tierra (51 % aproximadamente) de la que un 51% es infrarrojo, un 40% es visible y un 9% ultravioleta. ¿Cómo explicar que llegue a la superficie en torno a 1.000 w/m²?. El suelo y los mares reemiten hacia arriba radiación infrarroja, que es absorbida por el aire o se reenvía al suelo (radiación difusa), mientras el resto (aproximadamente el 30%) escapa hacia el espacio exterior. Gracias, pues, a la capacidad de la atmósfera de retener gran parte de la radiación infrarroja (efecto invernadero), se mantiene una temperatura media de equilibrio de 15^oC, muy superior a los -18^oC previstos de no registrarse esa absorción por los gases traza de efecto invernadero. ¿Qué ocurre si aumenta la concentración de esos gases?. ¿Aumentará la capacidad de almacenamiento de calor por la atmósfera, y por tanto su temperatura media?.

Tres son los gases, aunque se detallan otros, cuyas concentraciones en el aire van aumentando paulatinamente como consecuencia de la industrialización: CO₂, CH₄ y N₂O. Además, el vapor de agua presente también ejerce un efecto importante en la regulación del fenómeno. Se proponen varias hipótesis para intentar explicar lo que ocurrirá en el futuro. Todas ellas parten de una situación de calentamiento inicial como consecuencia de la mayor concentración de esos gases en el aire.

Tal y como se ha comentado anteriormente al hablar de la contaminación fotoquímica, la molécula de ozono tiene la particularidad de retener la radiación ultravioleta de longitud de onda comprendida entre 100 y 300 nm (0,1-0,3 µm) en un proceso de destrucción y producción de ozono que mantiene un equilibrio supuestamente estable. Sin embargo la presencia de derivados halogenados (especialmente cloro) pueden llegar a alterarlo, como en el caso de los CFCs (usados hasta hace bien poco como propelentes de aerosoles y en circuitos de refrigeración) y otros derivados halogenados como el bromuro de metilo, ampliamente utilizado en agricultura, los halones, el CCl₄, etc.

Para entender lo que ocurre, veamos las reacciones que tienen lugar cuando una molécula de CFC entra en esta capa (por ejemplo, el CFCl₃, aunque existe un buen número de derivados halocarbonados capaces de generar el mismo efecto),

liberándose en la reacción k) un nuevo átomo de Cl· que atacará a otra molécula de O₃, continuando el ciclo hasta alcanzar la impresionante cifra de hasta 100.000 moléculas de ozono destruidas por cada molécula de CFC. Se comprenderá porqué el uso y fabricación de los CFC (700.000 T/año) ha sido prohibido a partir del protocolo de Montreal de 1987.
 

3. ALTERACIONES LOCALES DE LA ATMÓSFERA TERRESTRE: CONTAMINACIÓN DE LAS GRANDES ÁREAS URBANAS.

3.1. Smog fotoquímico. Las grandes urbes están expuestas además a procesos de contaminación específicos como consecuencia de las emisiones propias de la ciudad entre las que cabe destacar partículas y aerosoles procedentes de las calderas de calefacciones domésticas y, sobre todo, por las emisiones de los vehículos a motor. Entre los contaminantes propios de este medio está el Pb, procedente de las gasolinas. Capítulo aparte merecen los óxidos de nitrógeno emitidos en la combustión interna de los motores de dichos vehículos (son los principales responsables del "smog" o "neblumo" fotoquímico), así como los hidrocarburos volátiles y otros precursores del ozono troposférico, que junto a los aerosoles y partículas, dan como resultado una atmósfera que deja pasar de un 15 a un 30% menos de luz.

3.2. Radiaciones. Procedentes de numerosas fuentes y de un amplísimo espectro, aunque sus dosis suelen ser irrelevantes, produciendo una acumulación de escasa importancia.

3.3. Ruido. Procedente, mayoritariamente, de la combustión interna y el desplazamiento de los vehículos a motor. Aunque no provoca un daño directo importante, sí que genera desarreglos de conducta y malhumor, empeorando la calidad de vida.