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Ciencias Ambientales - La Atmósfera - Su Papel Protector y Contaminación

Escrito por Administrator el . Publicado en Ciencias Ambientales

 Ciencias Ambientales

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 La Atmósfera Su Papel Protector y Contaminación

 

Todos los procesos que tienen lugar sobre nuestro planeta, excepto los fenómenos radiactivos y los originados por el calor interno de la Tierra, tienen su origen último en la energía que dimana del Sol. Las radiaciones solares calientan los continentes y los océanos, especialmente en las zonas de los trópicos, estableciendo un gradiente de temperaturas entre los polos y el ecuador, que provoca un complicado sistema de corrientes circulatorias, marinas y atmosféricas. Sin embargo, la acción de la atmósfera ofrece asimismo un papel protector, puesto que el ozono actúa a modo de filtro ante las longitudes de onda más energéticas de la radiación ultravioleta procedente del Sol, que pueden resultar letales. Otra acción atmosférica importante es el efecto invernadero, que mantiene la temperatura global media de la Tierra dentro de los límites de habitabilidad.

En estos días posteriores a la celebración de la Cumbre de la Tierra, hemos de aprovechar la actitud más receptiva de los dirigentes de los países más desarrollados hacia las alteraciones de la atmósfera debidas a la contaminación, causantes de diversos daños, para demandar las posibles medidas de seguridad que debemos adoptar de forma inmediata si verdaderamente queremos seguir contando con la protección de nuestra atmósfera.


2. Composición de la atmósfera


La atmósfera, masa de aire que envuelve a la Tierra y alienta la vida, es una mezcla gaseosa desarrollada a lo largo de 4500 millones de años. Está constituida principalmente por nitrógeno (78%), oxígeno (21%), argón (0,9%), dióxido de carbono (0,03%), vapor de agua, (en cantidad variable, aumentando con la temperatura) y trazas de hidrógeno, ozono, metano, monóxido de carbono y gases nobles. En ocasiones, amoníaco, sulfuro de hidrógeno y óxidos de azufre y nitrógeno, sobre todo cerca de los volcanes, arrastrados por la lluvia o la nieve.

La actual mezcla de gases ha sufrido una lenta evolución, pues la atmósfera primigenia debió de estar compuesta únicamente de emanaciones volcánicas de vapor de agua, dióxido de carbono, azufre y nitrógeno, sin rastro apenas de oxígeno. Hace unos 570 millones de años, el contenido en oxígeno de la atmósfera y los océanos aumentó lo bastante como para permitir la existencia de la vida marina y la evolución de animales terrestres capaces de respirar aire.


Hasta unos 80 km sobre el nivel del mar la composición de la atmósfera es sustancialmente la misma que cerca del suelo, gracias a las corrientes atmosféricas. La capa atmosférica entre 19 y 48 km tiene un mayor contenido en ozono, producido por la radiación ultravioleta del Sol. Pero, incluso en ese estrato, el porcentaje es sólo de un 0,001% en volumen.


La atmósfera se divide en varios niveles. En la capa inferior,
troposfera, hasta unos 8 a 18 km, la temperatura disminuye con la altura y se forman las nubes. A continuación encontramos la estratosfera, cuya temperatura aumenta ligeramente con la altitud. En su parte superior (la capa de ozono) la temperatura aumenta más rápidamente, y a unos 50 km sobre el nivel del mar, es prácticamente igual a la de la superficie terrestre. El estrato llamado mesosfera, desde los 50 a los 80 km, se caracteriza por un marcado descenso de la temperatura. A partir de los 80 km, las radiaciones solares ionizan la atmósfera, que se convierte en conductora de la electricidad. Esta capa, que se extiende hasta los 640 km, recibe el nombre de ionosfera o termosfera, pues alcanza altas temperaturas. Tras ella se extiende la exosfera hasta unos 9600 km, que podríamos considerar el límite de la atmósfera.

En torno a los 5,6 km la presión atmosférica es de unos 380 mm de Hg, es decir, la mitad de todo el aire presente en la atmósfera se encuentra por debajo de este nivel, mientras que a una altitud de 80 km la presión es sólo de 0,007 mm de Hg.


3. Balance energético terrestre y circulación atmosférica


La radiación solar se mide con piroheliómetros. La luz solar incide sobre la superficie ennegrecida de un disco de platino, aislado contra el calor, con un termómetro muy sensible. Conocido el aumento de temperatura se puede calcular el número de calorías absorbidas, arrojando un valor medio de 1,938 cal/min cm
2, denominado constante solar.

No obstante, la existencia de los casquetes de hielo polares y del caluroso ecuador terrestre, además de las diferencias de temperaturas entre verano e invierno, son debidas a los diferentes ángulos con que los rayos solares alcanzan la superficie de la Tierra. Al incidir más radiación solar por unidad de superficie, las temperaturas de las regiones cercanas al ecuador serán más altas que en las polares. Cada seis meses, la orientación del eje terrestre permite una inversión en las estaciones, al darse unas condiciones contrarias en cada hemisferio.


Además, el calentamiento desigual de la superficie terrestre por el Sol provoca una compleja circulación atmosférica que produce la transferencia de calor desde las regiones más cálidas hacia los polos. En los trópicos, la circulación atmosférica sigue un patrón meridional, llamado célula tropical de Hadley, en el que el aire desciende en cinturones situados en torno a los 30º de latitud Norte y los 30° de latitud Sur y asciende en las inmediaciones del ecuador. A latitudes medias y altas, los rasgos más notables de la circulación atmosférica, que casi siempre procede del Oeste, son los ciclones y anticiclones migratorios. Los continentes ejercen también una notable influencia en el hemisferio norte, donde el contraste entre la temperatura de las masas terrestres y la de los océanos es máximo. La corriente en chorro es una banda estrecha de viento del Oeste de alta velocidad que sigue un curso ondulante de Oeste a Este. Sopla a una altitud media de 12200 km en invierno y de 13700 km en verano con una velocidad del viento que puede superar los 400 km/h.

4. Papel protector de la atmósfera


Existe un efecto invernadero “natural”, como resultado de la envoltura de aire que nos rodea, beneficioso, y que tenemos que diferenciar del provocado por la actividad humana.


La mayor parte de la energía del Sol se emite en el espectro visible. Esta radiación atraviesa la atmósfera y es absorbida en parte, calentando la capa superior de continentes y océanos. Como sabemos, todo cuerpo radia calor en función de su temperatura, siendo dicha emisión de frecuencias menores (y longitudes de onda mayores) cuanto menor sea la temperatura. Puesto que la superficie terrestre posee una temperatura muy inferior al Sol, radiará energía electromagnética de longitudes de onda más largas, en la banda del infrarrojo. Esta radiación es absorbida por el vapor de agua y el dióxido de carbono presentes en la atmósfera y es la responsable del calentamiento natural del aire. En esto consiste el efecto invernadero.


No es menos importante para nosotros la acción de la capa de ozono, que protege la vida del planeta absorbiendo la radiación ultravioleta cancerígena procedente del Sol. Su importancia es, por lo tanto, inestimable. Sin embargo, en la década de 1970, se descubrió que ciertos productos químicos llamados
clorofluorocarbonos, o CFC, usados como propelentes en los aerosoles, representaban una posible amenaza para dicha capa. Se descomponen por acción de la luz solar y el cloro destruye las moléculas de ozono. Actualmente existe un acuerdo internacional para limitar el uso de dichos productos y otros similares.

5. Alteraciones debidas a la contaminación


Las impurezas naturales del aire se presentan, principalmente, en forma de polvo. Constituyen aerosoles cuyas partículas en suspensión tienen un diámetro medio de 0,01 a 0,1 µ m y proceden de las actividades volcánicas, de las corrientes de aire en forma de torbellinos que actúan sobre el suelo y de la acción del viento sobre las gotas de agua del mar.


Las impurezas artificiales se localizan fundamentalmente en las zonas industriales y en las ciudades y proceden de la combustión de carburantes fósiles, principalmente, y de la contaminación industrial. El dióxido de carbono generado por el uso de combustibles fósiles puede provocar un aumento del efecto invernadero. Otros productos también contribuyen a este efecto y serían más peligrosos de no tratarse de componentes minoritarios, como clorofluorocarbonos, monóxido de dinitrógeno y metano.


La industria química genera decenas de miles de productos diferentes, la mayor parte de los cuales acaba en la atmósfera. Los más importantes son: disolventes clorados, compuestos cloroaromáticos, fluorocarbonados y metálicos, normalmente partículas sólidas. Muchos de estos productos son pesticidas y acaban incorporándose a la cadena alimenticia a través de los herbívoros.


6. Procesos químicos en la atmósfera


a) Procesos químicos en la estratosfera


Formación de ozono por acción de la radiación ultravioleta solar sobre el oxígeno. La concentración de ozono depende de la de O
2, que disminuye con la altura, y de la cantidad de luz muy energética, que aumenta con la altura. Por tanto, será mayor en altitudes intermedias, con un máximo a unos 20 km de altura. Los gases como el metano, los óxidos de nitrógeno y los CFC emitidos a la troposfera se fotodisocian dando especies capaces de detruir el ozono y el oxígeno.

b) Procesos químicos en la troposfera


Los radicales OH son unos oxidantes poderosos que originan un proceso semejante a la combustión, pero a temperaturas mucho menores. Su precursor es el ozono estratosférico ecuatorial, arrastrado por las masas de aire hacia abajo (troposfera) y a los polos, originando radicales OH por efecto de la luz solar.


El agua de lluvia tiene un pH de 5,6 debido a la disolución del dióxido de carbono atmosférico originando ácido carbónico débil, que confiere a la lluvia una ligera acidez que no es perjudicial. Sin embargo, gases, como los óxidos de azufre y de nitrógeno emitidos por las centrales térmicas y los escapes de los vehículos a motor junto con el sulfuro de hidrógeno, al hidrolizarse producen ácidos que son transportados por la circulación atmosférica y caen a tierra, arrastrados por la lluvia y la nieve en la llamada lluvia ácida, o en forma de depósitos secos, que pueden alcanzar un pH inferior a 4,5, dañino para el suelo. Además, la lluvia ácida corroe los metales, desgasta los edificios y monumentos de piedra, daña y mata la vegetación y acidifica lagos y corrientes de agua, sobre todo en ciertas zonas del noreste de Estados Unidos y el norte de Europa.


7. Contaminación urbana


La mayoría de los residuos volátiles se quedan en la capa de mezcla, una zona turbulenta de unos cientos de metros, fruto del contacto del aire y el suelo, que diluye los contaminantes. Tan sólo si el aporte es alto y continuado, y las condiciones climáticas lo favorecen, pueden estancarse el tiempo suficiente. Esto ocurre normalmente en las grandes ciudades y en los polígonos industriales.


El relieve abrupto propio del paisaje urbano favorece la retención de los contaminantes. Además se produce una elevación de temperatura debida al asfalto, al aporte de calor de la industria, al tráfico, a la calefacción doméstica, y a las partículas en suspensión, especialmente las procedentes de la combustión de carburantes fósiles. Éstas últimas absorben la radiación infrarroja del suelo ocasionando una inversión térmica que impide la mezcla vertical. Resulta así un estancamiento que acumula las partículas suspendidas favoreciendo la nucleación y formación de nieblas (smog o niebla de humo), especialmente cuando la humedad ambiental es alta, que pueden producir irritaciones de las mucosas y problemas respiratorios graves.


8. Medidas de protección


Afortunadamente, la atmósfera posee una capacidad natural de autodepuración. De entre los procesos que reducen la contaminación del aire cabe destacar la acción del vapor de agua y las precipitaciones. En el aire saturado de vapor de agua, como sucede, por ejemplo, cuando hay temperaturas bajas, tanto el polvo fino como muchas sustancias gaseosas solubles, entre las que se encuentra el dióxido de azufre, precipitan igual que si fueran arrastradas por la lluvia o la nieve. Otro proceso que elimina contaminantes del aire es el simple contacto de la atmósfera y el suelo, bien sea por adsorción o por transformaciones químicas y bioquímicas, como la captación de SO
2 y NO2 por las plantas.

Gracias a los fenómenos naturales de limpieza del aire se logra reducir el tiempo de permanencia de las sustancias contaminantes en grados muy significativos. Así, para sustancias solubles como SO
2, NO2, NH3 y HF que permanecerían durante años, los tiempos se reducen a días.

Existen además procedimientos para reducir la contaminación industrial, como:

Separar el contaminante del efluente y reciclarlo, si ello es posible, o inertizarlo.

Por ejemplo, eliminando de ciertos procesos sustancias perjudiciales (el plomo en la gasolina).


Purificar las materias primas.

Así, en el empleo de combustibles, las medidas para reducir al máximo las emisiones de SO
2, óxidos de nitrógeno, dioxinas, furanos y polvo afectan al tratamiento del carbón y los otros combustibles y al proceso de combustión.

En cuanto al carbón, el lavado tradicional sólo permitía eliminar la fracción mineral del azufre contenido en el mismo, pero no la fracción orgánica. Mediante la aplicación de microorganismos se alcanza una depuración del orden del 90%. Gasificando el carbón, es decir, sometiéndolo en un reactor a la acción del vapor de agua a alta temperatura con inyección de aire, se obtiene el llamado gas de síntesis, con lo que no sólo desaparece la emisión de SO
2, sino también la de los óxidos de nitrógeno.

El sistema de depuración más eficaz, válido para carbón, fuel y residuos industriales o urbanos, comprende cuatro técnicas básicas, que se combinan según el tipo de combustión y de combustible. Aplicándolas de manera sucesiva, los gases de combustión recorren el siguiente circuito: primero pasan por la cámara de poscombustión, donde se efectúa la cremación a unos 1000 °C de las sustancias tóxicas que contienen y, acto seguido, llegan al filtro de cenizas, un filtro de tela o placas electrizadas a una tensión de unos 25000 V que retiene las partículas sólidas ionizándolas. Después pasan al reactor catalítico, donde sufren la acción de silicatos o de ciertos óxidos metálicos, que permite descomponer los óxidos de nitrógeno, los furanos o las dioxinas, formados de nuevo al acabar la poscombustión. Este tratamiento también se aplica a los gases de escape de los vehículos. Finalmente, llegan al dispositivo lavador para disolver o neutralizar compuestos como el ácido clorhídrico o el dióxido de azufre mediante lavados por proyección de agua, sosa, cal, etc., sobre los gases.


En el proceso de combustión, las innovaciones se refieren a ciertas modificaciones de las calderas o del mismo proceso. Una de ellas consiste en la adición de absorbentes como la cal, que retiene el azufre, o la aplicación de una corriente de aire ascendente que reduce la temperatura de combustión y, por tanto, la formación de óxidos de nitrógeno. Otro método es la combustión catalítica, donde la superficie de la cámara de combustión actúa como catalizador para reducir la cantidad de óxidos de nitrógeno.

Buscar sustitutos degradables naturalmente.

Por ejemplo, sustituyendo los clorofluorocarbonos (CFC) por isopropano u otros compuestos en los circuitos de refrigeración. Otro caso es la sustitución del carbón y el fuel por gas en las calefacciones

Adoptar tecnologías limpias.

En este último sector, destacan los sistemas de inyección estratificada de carburante en los motores, combinados con regulación electrónica, y otros procedimientos, como los motores rotativos, destinados a reducir el consumo de combustible y las emisiones de gases.


Obviamente, la mejora de la técnica de combustión no resuelve el problema de la emisión de CO
2, para lo cual es necesario fomentar el empleo de otras fuentes de energía en los procesos donde su uso sea viable. De este modo, una solución más radical la proporcionan los motores eléctricos para vehículos urbanos, alimentados con baterías, si bien éstas deben perfeccionarse todavía mucho hasta lograr que los vehículos tengan suficiente autonomía. Y, en general, disminuir el empleo de combustibles fósiles mediante el desarrollo de la energía nuclear y de energías renovables.

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