apuntesCA0607_Tema1

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TEMA 1. “INTRODUCCIÓN A LA CONTAMINACIÓN 
ATMOSFÉRICA” 
 
 
 
 
 
1.1. ¿Qué se entiende por contaminación atmosférica? 
 
Entendemos por contaminación atmosférica la presencia de un material 
perjudicial o indeseable proveniente de fuentes naturales o artificiales en cantidad 
suficiente para provocar efectos nocivos sobre la salud humana, vegetación, bienes y/o 
medio ambiente global. Veremos un ejemplo de cada uno de estos efectos. 
 
Efectos sobre la salud humana: la preocupación social sobre los influencia en la 
salud pública de la contaminación atmosférica comenzó a principios de los cincuenta a 
raíz del luctuoso suceso ocurrido en Londres en 1952. En aquella ocasión se produjo un 
deterioro súbito de la calidad del aire provocado por las desfavorables condiciones 
atmosféricas que tuvieron lugar a finales del otoño. El dióxido de azufre producto de 
las emisiones de carbón utilizado en las calefacciones formó una espesa niebla que fue 
conocida como “killer fog”. En el pico de concentración, la tasa de mortalidad aumentó 
hasta cuatro veces (1000 personas/día). En total, se estima que perecieron 4000 personas 
en este dramático episodio. 
 
El ejemplo de la “niebla asesina” es un ejemplo de Estudio epidemiológico, en 
el que se cruzan datos referidos a la concentración de contaminantes en aire con datos 
estadísticos de tipo clínico tales como nivel de mortalidad, incidencia de determinadas 
afecciones respiratorias o cardiovasculares, ingresos hospitalarios, etc… Otra forma de 
establecer el efecto sobre la salud de un determinado componente atmosférico es a 
través de Estudios toxicológicos, en los que se trabaja con poblaciones controladas en 
laboratorio. 
100
200
300
400
500
5 10 150
600
1200
1800
2400
Pa
rt
íc
ul
as
/ 
µ
g 
m
-3
m
ue
rt
es
/d
ía
Londres
 
Figura 1.1. Efecto de la “niebla asesina” de Londres de 1952. Cruce 
entre la concentración media de partículas y el número de muertes diarias 
registradas en Londres en la primera quincena del mes de Noviembre de 1952. 
 
Efectos sobre los bienes: las partículas resultan en la degradación de la 
visibilidad o rango visual, tanto más cuanto más concentradas estén. Además, muchos 
materiales de construcción se deterioran por reacciones con contaminantes atmosféricos. 
Es este el conocido “mal de la piedra” que ha deteriorado importantes monumentos 
históricos en las ciudades más populosas de Europa. 
 
 Efectos sobre la vegetación: el efecto más destacable de la contaminación 
atmosférica sobre la vegetación es la acidificación del suelo por parte de la lluvia ácida, 
lo que suele traducir en desertización. También se encuentra bien descrito el efecto del 
ozono sobre la vegetación. 
 
Efecto sobre el medio ambiente global: por una parte, es indiscutible la acción 
sobre el medio ambiente global de los gases de efecto invernadero, cuyo aumento 
ocasiona un aumento del potencial de calentamiento global (GWP). Por otra, los 
contaminantes destructores de la capa de ozono (CFCs, ClO, radical OH…) ejercen una 
acción indirecta sobre la salud biológica desprotegiéndonos del filtro UV natural que 
supone la capa de ozono estratosférica. La interacción de la luz UV con las células 
puede causar graves mutagénesis en el material genético e incluso la muerte celular. En 
le caso de los humanos, es muy común la aparición de eritemas. Este “fotodaño” se 
inicia con la absorción de la luz UV de entre 280 y 350 nm por parte de los cromóforos 
aromáticos del ADN (guanina, timina, citosina y adenina) y de proteínas (los 
aminoácidos triptófano y tirosina). Esta absorción induce la formación de dímeros de 
pirimidina, una estructura covalente de dos bases pirimidínicas (timina-timina o timina-
citosina). La presencia de este dímero en el ADN causa efectos destructivos en la 
lectura y transcripción genética. 
 
 
1.2. Esquema del análisis y control de la contaminación del aire. 
 
Un esquema de cómo se suele abordar el estudio y el control de la calidad del 
aire se encuentra en la Figura 1.2. 
 
 
Figura 1.2. Esquema del Análisis y el Control de la Contaminación Atmosférica. 
Diagrama orientativo de cómo se aborda el estudio y el control de la Calidad del Aire por 
parte de científicos, técnicos y políticos. 
 
El estudio de los procesos de contaminación del aire comienza con la 
identificación de las fuentes naturales y artificiales de contaminantes primarios. Estos 
Fuentes
Naturales
Artificiales
Emisión de 
contaminantes 
primarios
Aire 
ambiente
Producción de 
contaminantes
secundarios
Impacto en 
Receptores:
Humanos, flora 
y fauna, bienes
Meteorología
Acción de la luz 
(fotoquímica)
Dispersión y 
transporte de 
contaminantes
VIGILANCIA
Y ANALISIS
VIGILANCIA
Y ANALISIS
Estrategias de 
control
LEGISLACIÓN
Medidas de 
control Estrategias de control
LEGISLACIÓN
Medidas de 
control
a su vez son susceptibles de producir contaminantes secundarios por reacciones 
químicas y fotoquímicas que pueden dispersarse según la meteorología reinante para 
producir impacto en los receptores que comentamos en el apartado anterior. La 
legislación debe imponer normas de análisis, vigilancia y control sobre los receptores, 
las fuentes y el aire ambiente; así como establecer unas directrices de promoción de 
estrategias de control que modifiquen la propia legislación (por ejemplo, incorporación 
de nuevos recursos técnicos en las medidas de control). 
 
Los principales problemas de Contaminación Atmosférica que preocupan 
actualmente son los siguientes: 
1. El incremento de la concentración de oxidantes troposféricos (como el ozono) y 
sus efectos sobre la vegetación y la salud humana. 
2. El Cambio climático (calentamiento global) como resultado del incremento en 
las emisiones de CO2 y otros contaminantes con efecto invernadero. 
3. Lluvia ácida y su efecto sobre la vegetación. 
4. Reducción de ozono estratosférico, con el consiguiente incremento de la 
radiación UV que llega a la superficie. 
5. Degradación general de la calidad del aire (partículas, COVs, etc). 
 
 
1.3. Atmósfera y principales sustancias contaminantes. 
 
1.3.1. Composición y estructura de la atmósfera. 
La atmósfera y la hidrosfera se formaron como consecuencia de la 
desgasificación sufrida por la Tierra desde su formación. La atmósfera inicial o 
protoatmósfera presentaba una composición distinta de la actual (CO2, N2, H2, H2S…), 
pero pudo ser más propicia para la formación de moléculas orgánicas y la vida. El 
desarrollo de la actividad biológica y la fotosíntesis introducen componentes 
fundamentales en la atmósfera actual y el desarrollo de muchos organismos como el O2 
y su forma alotrópica, el ozono (O3). La nueva atmósfera oxidante condicionó nuevas 
reacciones en los procesos de sedimentación, meteorización y transporte. Su 
composición actual es relativamente sencilla: 78.05 % N2, 20.946 % O2, 0.934 % Ar, 
0.0314 % CO2, 0.00182 % Ne y 0.00052 % He, así como polvo en suspensión y otros 
gases menos representativos (Kr, H2, CO, CH4, O3, Xe, NH3, NO2…). 
 
En los primeros 6 Km de la atmósfera se encuentra el 50 % de su masa total, y 
hasta el 95 % por debajo de los 15 Km. La troposfera presenta un límite superior o 
tropopausa a 9 Km de altura en los polos y en torno a 18 Km sobre el ecuador, es decir, 
comprende toda la superficie terrestre incluyendo los picos más altos. Presenta grandes 
cantidades de CO2 y vapor de agua por estar en contacto con la hidrosfera y la biosfera. 
También hay grandes cantidades de polvo en suspensión que se concentra en los 
primeros 500 m. en esta capa la temperatura tiene un gradiente vertical de temperatura 
descendente del orden de 6.5 ºC/Km, llegando a -70 ºC en la tropopausa. Es en esta capa 
donde tienen lugar la formación de nubes y las precipitaciones. 
La estratosfera es la capa en la que la temperatura comienza a ascender hasta 
alcanzar los 15 ºC entre los 50 y 60 Km de altura,zona que se denomina estratopausa y 
que representa el límite con la capa superior o mesosfera. Este aumento de temperatura 
puede ser debido a la absorción de la radiación que lleva a cabo el ozono y que permite 
la vida sobre la Tierra. La capa de ozono u ozonosfera ocupa la mitad superior de la 
estratosfera, encontrándose hasta 5 ppm de ozono en este estrato. 
Componente % en Volumen
N2 78.085
O2 20.946
Ar 0.934
CO2 0.0314
Ne 0.00182
He 0.00052
Otros:
CH4, Kr, H2, CO, Xe, O3, NH3, NO2
+ vapor de agua (0.01-5%)
La mesosfera presenta una nueva disminución de la temperatura hasta -142 ºC en 
la mesopausa, que marca el límite con la termosfera o ionosfera, donde las moléculas 
están ionizadas por la energía solar. La temperatura puede llegar a 1000 ºC. En esta 
capa tiene lugar la aurora boreal que se produce por la interacción de los rayos cósmicos 
con los iones de ésta. Los rayos X y UV también contribuyen a esta ionización que crea 
unas corrientes eléctricas que recorren esta capa y dan lugar a fluctuaciones del campo 
magnético superficial. 
 
Figura 1.3. Estructura de la Atmósfera Terrestre. La línea roja representa 
la variación de temperatura con la temperatura. El objeto de estudio de la 
Contaminación Atmosférica es fundamentalmente la Troposfera, aunque 
también abordaremos el estudio de la Estratosfera por ser donde se encuentra la 
capa de ozono. 
 
 
 
 
1.3.2. Contaminantes primarios y secundarios. 
La clasificación más sencilla de los contaminantes atmosféricos los divide en 
contaminantes primarios –si se vierten directamente a la atmósfera- y contaminantes 
secundarios –si se forman a partir de los primarios por procesos químicos y 
fotoquímicos de la atmósfera-. 
 
El dióxido de azufre (SO2) es uno de los contaminantes más importantes. A 
pesar de algunas fuentes antropogénicas como la combustión de combustibles fósiles y 
la industria refinera y las fundiciones, las dos terceras partes del dióxido de azufre que 
se emiten a la atmósfera es de origen natural, como las erupciones volcánicas, emisiones 
marinas y descomposición biológica. La mayor parte de las emisiones se hacen en 
forma de H2S, que rápidamente se oxida a SO2, un gas fácil de licuar (P.E.=-10 ºC) que 
provoca constricción bronquial y otros efectos adversos. Es además precursor del SO3 y 
compuestos de sulfato que alteran el pH de los ecosistemas. La deposición húmeda en 
forma de H2SO4 y H2S provoca lluvia ácida. 
 
El monóxido de carbono (CO) es un gas inodoro, incoloro y de bajo punto de 
ebullición (-109 ºC) que se produce por combustión incompleta de hidrocarburos, 
aunque también se producen de forma natural por oxidación del metano por parte del 
radical OH en la atmósfera. Afortunadamente, su concentración se ha mantenido a lo 
largo del tiempo por la rápida oxidación del CO por parte del OH y la oxidación 
biológica (carboxidobacterias y bacterias metanógenas y acetógenas). Sin embargo, en 
muchas ciudades industrializadas su concentración supera con creces la concentración 
de equilibrio porque la emisión exagerada desequilibra localmente el sistema fuente-
PRIMARIOS SECUNDARIOS 
SO2 
CO 
NOx 
COVs 
Partículas 
Ozono 
Ácidos sulfúrico y 
nítrico 
PAN y relacionados 
Partículas secundarias 
sumidero de esta molécula. El CO tiene efectos perjudiciales sobre la salud humana por 
su elevada afinidad por la hemoglobina (200 veces mayor que la del oxígeno). El CO 
con la hemoglobina forma entonces una molécula inútil en el transporte de oxígeno 
denominada carboxihemoglobina (COHb). 
 
Los óxidos de nitrógeno NOx incluyen el óxido nítrico (NO) y el dióxido de 
nitrógeno (NO2) que se forman por descomposición eléctrica y fotodescomposición del 
N2O, así como en procesos de combustión a alta temperatura, cuando el oxígeno y el 
nitrógeno se rompen y recombinan entre sí: 
 
N2+O2↔2NO 
2NO+O2↔2NO2 
El N2O o gas de la risa es muy común en la atmósfera, pero no se considera un 
contaminante. 
 
El NO es un gas incoloro, inocuo, de bajo punto de ebullición (-163 ºC) y poco 
soluble en agua. Por su parte, el NO2 es de color pardo intenso con efectos 
documentados sobre las vias respiratorias. Los NOx son además importantes en cuanto a 
la formación de lluvia ácida (deposición húmeda en forma de HNO3), partículas 
secundarias (PAN) y formación de ozono en ambientes urbanos. 
 
El grupo de los compuestos orgánicos volátiles (COV) lo componen 
hidrocarburos (olefinas, compuestos aromáticos…), aldehídos, cetonas, ácidos… con un 
punto de ebullición menor de 100 ºC. Son muy importantes en la formación de ozono 
troposférico y, en particular, los compuestos aromáticos policíclicos son muy 
cancerígenos. La fuente natural de estos compuestos puede ser vegetal (isoprenos), 
provenir de microorganismos o de animales (fermentación entérica para dar metano), 
pero principalmente se producen por combustión incompleta en motores de vehículos y 
calefacciones, evaporación de hidrocarburos combustibles y evaporación de disolventes. 
 
Las partículas o aerosoles están formadas por núcleos sólidos o líquidos de 
tamaño comprendido entre 0.1 y 10 µm de composición muy variable: hidrocarburos 
condensados (humos), óxidos metálicos (cenizas), vapor de agua… se representan por el 
símbolo PMx donde x es el diámetro en µm. Principalmente se habla de partículas PM2.5 
y PM10 para partículas con diámetro igual o inferior a 2.5µm o 10 µm respectivamente. 
Son susceptibles de ser inhaladas e incluso (las de menos de 0.5 µm) de llegar a los 
alvéolos. Además, como ya vimos, repercuten en la pérdida de visibilidad (bruma 
contaminante). Sus fuentes naturales son el polvo y la espuma marina esencialmente, 
pero de nuevo, las fuentes artificiales son cuantitativamente más importantes: humos de 
combustión de petróleo y carbón, emisiones industriales de humos y cenizas, reacciones 
atmosférica inducidas, etc… 
 
Los oxidantes fotoquímicos son agentes muy reactivos formados en presencia de 
aire, NOx o hidrocarburos. La especie principal de este grupo de contaminantes es el 
ozono troposférico, que provoca irritación ocular y de garganta (asma urbano) a 
concentraciones muy bajas. De forma natural se produce por la fotólisis del O2 por luz 
UV y artificialmente por descomposición fotoquímica del NOx en ambientes urbanos. 
 
 
1.4. Utilidades: unidades de concentración y leyes de gases. 
 
Este apartado es muy importante en cuanto que será de mucha utilidad en el 
resto del temario. En una primera parte vamos a considerar las unidades de 
concentración habituales en Química Atmosférica. Hay que tener en cuenta que existen 
distintas definiciones en la bibliografía específica, por lo que es necesario tener 
cuidado a la hora de leer e interpretar otros libros, informes, etc.. que puedan caer en 
nuestras manos. No obstante, nosotros utilizaremos los siguientes criterios: 
 
● Unidades de masa/volumen: µg/m3 
● Unidades volumen/volumen: tanto por ciento (para componentes 
mayoritarios); ppmv, ppbv y pptv, definidos como la fracción en volumen del 
contaminante multiplicada por 10
6
, 10
9
 ó 10
12
 respectivamente. Algunas veces los libros 
eliminan la letra “v” aunque se siguen refiriendo a unidades de volumen en volumen. 
● Unidades de moléculas/volumen: nº de moléculas/m3. (se emplea para 
componentes muy minoritarios, como los radicales libres) 
● Unidades Dobson (UD): la unidad Dobson es una unidad columnar específica 
para el ozono estratosférico. Cada unidad Dobson se corresponde con una capa de 
ozono puro de 0.01 mm de espesor a 1 atm y 273 K. 
El estudio de la atmósfera requiere también unos conocimientos básicos de 
Termodinámica y de las Leyes de los Gases. Para nuestros objetivos supondremos que 
la atmósfera se comporta como una mezcla ideal de gases ideales. Recordemos que un 
gas ideal tiene una ecuación de estado que sigue una relación funcional muy sencilla: 
nRTPV =(1) 
Donde P es la presión, V el volumen, T la temperatura, n el número de moles y R la 
constante de los gases ideales. Es lo más común en Contaminación Atmosférica medir 
la presión en atmósferas y el volumen en litros, así como la temperatura en grados 
kelvin. Ello implica que la constante de los gases que debemos emplear en ese caso 
valdrá R = 0.082 atm. L /(mol. K). 
Como la mezcla es ideal, se cumple a ley de Dalton: la presión total de la 
mezcla es la suma de las presiones parciales de los i componentes. Es fácil demostrar a 
partir de la ecuación de estado (1) que entonces: 
ii pxp = (2) 
Donde xi es la fracción molar de la especie i. La fracción molar de una mezcla 
ideal de gases ideales coincide con el cociente entre volumen de la especie i y volumen 
total. Esto significa que, en Contaminación Atmosférica, y asumiendo que se cumplen 
las leyes de los gases ideales, siempre podremos identificar unidades de 
volumen/volumen con sus correspondientes fracciones molares. 
RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS. 
 
 
 
 
 
1.3. Estimar la densidad del aire a temperatura y presión ambiente (25ºC y 1 atm), suponiendo que 
está constituido únicamente por un 78% de nitrógeno y un 22% de oxígeno. 
Como la densidad es la masa por unidad de volumen, lo más sencillo para resolver el 
problema es determinar la masa y el volumen de un mol de aire. Para determinar la 
masa molar de una mezcla de gases simplemente sumamos el producto de la masa 
molecular de cada especie por su masa molecular (28 g/mol para el nitrógeno y 32 
g/mol para el oxígeno). En este caso: 
m=0.78⋅28+0.22⋅32=28.88 g/mol 
Para calcular el volumen de un mol de aire en condiciones estándar (c.e.) 
suponemos aplicable la ecuación de estado de los gases ideales, de donde: 
436.22
1
298082.0
=
⋅
==
p
RT
V L/mol=22436 cm
3
/mol 
La densidad la obtenemos dividiendo estos dos números, con lo que resulta 
0.00128 g/c.c., que es aproximadamente cien veces menor que la densidad del agua. 
 
1.4 Estimar a cuánto equivalen 350 unidades Dobson en ppb y en µg/m3, suponiendo que el ozono se 
distribuyese homogéneamente en la estratosfera y que ésta se encontrase toda a ella a 0.01 atm de 
presión y -20ºC de temperatura 
 
Recordemos que la unidad Dobson (UD) es una unidad columnar referida 
específicamente al ozono estratosférico. Para definir una superficie arbitraria, lo más 
sencillo es hacerlo con una base de 1 m
2
. Por definición de unidad Dobson, sobre esta 
superficie habría 3.5 mm de ozono puro a 1 atm y 273 K. El volumen de un prisma de 
base 1 m
2
 y altura 3.5 mm será de 3.5 L, por lo que el número de moles que corresponde 
a 350 UD será: 
156.0
3
==
RT
pV
nO moles O3 
Para hallar el volumen de una columna de aire sobre la estratosfera con una base 
de 1 m
2
 en las condiciones del problema consideraremos que el espesor de la 
estratosfera es de 36 Km, con lo que se obtiene un volumen de 3.6·10
7
 L. Aplicando de 
nuevo la ecuación de estado de los gases ideales: 
17353==
RT
pV
naire moles aire 
Para hallar las ppbv de ozono recordamos que coincide con la fracción molar por 
una potencia 9: 
[ ] 89891093
3 =⋅=
aire
O
n
n
O ppbv 
Para expresarlo en µg/m
3
 tendremos en cuenta la masa molecular del ozono (48 
g/mol) y que 1000 L=1 m
3
, de forma que: 
[ ] 2081093
3 =⋅=
aire
O
V
m
O µg/m
3