Introducción a la Atmósfera

Transcripción

1 Contaminación del Aire Jorge Jiménez del Rio, Ph.D. Facultad de Ingeniería Universidad de Concepción Introducción a la Atmósfera Definiciones: La atmósfera (del griego atmos, vapor, aire, y esfera ) es la capa de gas que puede rodear un cuerpo celeste con la suficiente masa como para atraerlos. La atmósfera terrestre es la parte gaseosa de la Tierra, siendo por esto la capa más externa y menos densa del planeta. Está constituida por varios gases que varían en cantidad según la presión a diversas alturas. Esta mezcla de gases que forma la atmósfera recibe genéricamente el nombre de aire.

2 Introducción a la Atmósfera La atmósfera es el aire que respiramos, la brisa que mueve la hojas de los árboles, las nubes que flotan en el cielo y los rayos que caen a la tierra. La atmósfera nos rodea en todo momento, nos mantiene vivos y cálidos. Es parte de sistema terrestre, todos la conocemos y a veces no le damos importancia, pero sin la atmósfera nosotros dejaríamos de existir en cuestión de minutos. La Atmósfera Actual

3 Composición de la Atmósfera Componente % volumen aire seco ppm (vol) Nitrógeno (N 2 ) 78.1 Oxígeno (O 2 ) 20.9 Argon (Ar) 0.9 variables Vapor de agua (H 2 O) 0-5 Dióxido de carbono (CO 2 ) Monóxido de carbono (CO) 100 Dióxido de azufre 0-1 Nióxido de nitrógeno (NO 2 ) Ozono (O 3 ) 0-10 Atmósfera actual

4 Capas de la atmósfera Troposfera (0-10 km) Concentra 3/4 partes de la masa de la atmósfera. Capa más agitada (turbulencia), aquí ocurren los fenómenos meteorológicos y determina el clima en la Tierra. En ella se concentran los componentes hídricos: Nubes Humedad Precipitaciones La contaminación del aire se concentra en esta capa. El límite superior es la tropopausa, zona de transición entre la troposfera y estratosfera

5 Estratosfera Contiene la capa de ozono, la cual nos protege de los dañinos rayos U. En la parte inferior, la temperatura es casi constante con la altura, o crece lentamente. Se incrementa fuertemente en la parte superior hasta alcanzar un máximo en la estratopausa La temperatura incrementa debido a las absorción de la radiación UV por las moléculas de ozono. No hay movimientos verticales por lo que la contaminación que se inyecta nos se dispersa y puede permanecer por un tiempo prolongado. Mecanismo de formación y destrucción de ozono en la estratosfera Reacciones de Chapman (~1930) Producción O 2 + h V O + O 2 + M O + O O 3 + M Destrucción O 3 + h V O 2 + O O + O 3 2O 2

6 Ozono en la estratosfera: filtro contra la radiación UV UV-a : 320 a 400 nm, menor frecuencia y energía. UV-b : 320 a 290 nm, energía media, son peligrosos para la salud. UV-c : 290 a 200 nm, mayor energía son los más peligrosos para la salud. Mesosfera La temperatura disminuye con la altura hasta alcanzar un mínimo en la mesopausa. Termosfera La temperatura crece con la altura. Absorción de radiación UV

7 Ionosfera La ionosfera es aquella región de la atmósfera donde la ionización tiene lugar, de modo que permanecen en libertad los electrones producidos La temperatura aumenta debido a la fotoionización. Aquí esta la F1, F2, E (importante para reflejar las ondas de radio) BALANCE TÉRMICO EN LA ATMÓSFERA

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9 Absorción de radiación en la atmósfera La energía contenida en la atmósfera proviene del sol mediante ondas electromagnéticas o fotones. Las capas superiores de la atmósfera reciben la radiación UV dando origen a reacciones en las cuales participa el O 3, absorbiendo una gran fracción de los rayos UV.

10 Efecto Invernadero Comparación de la radiación solar y terrestre

11 Efecto Invernadero La radiación térmica emitida por la superficie terrestre es absorbida por algunos gases atmosféricos (CO 2, CH 4, N 2 O, H 2 O, O 3 ) y re-emitida hacia la superficie, produciendo el denominado efecto invernadero. Estos gases invernadero son los que mantienen la Tierra a los niveles de temperatura que conocemos (de otra forma tendríamos temperaturas del orden de 18ºC) Actual T de equilibrio 15 ºC Balance térmico en la atmósfera

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13 Para lograr un equilibrio, las circulaciones atmosféricas y oceánicas realizan una transferencia continua de calor a larga escala (de latitudes bajas a altas). La atmósfera conduce el aire cálido hacia los polos y el aire frío hacia el ecuador. Patrones generales de circulación de la atmósfera L H H Masas de aire ascienden desde el ecuador y bajan en a presión a zonas de latitud media (30 o ), y así mismo distribuyen energía (calor) desde el ecuador hacia las zonas de mayor latitud. La pérdida de masa de aire en la superficie del Ecuador es compensado por aire que converge dentro de toda la zona intertropical, hacia la zona ecuatorial. La zona entre los trópicos hacia donde convergen los vientos es conocida como Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), el cual es caracterizado por un cinturón de centros de baja presión.

14 ZCIT Patrones generales de circulación de la atmósfera Fuerzas que definen los patrones de viento Gradiente de Presión (F P ): Causante del movimiento de las masas de aire como resultado de la migración (flujo) de estas desde zonas de alta presión a zonas de baja presión. A B

15 Patrones generales de circulación de la atmósfera Fuerza de Coriolis Fuerza de deflexión de Coriolis (F c ): También denominada efecto de Coriolis es una fuerza ficticia o aparente que hace que un objeto que tiene una trayectoria recta en un disco en movimiento abandone dicha trayectoria desviándose con respecto al disco en la dirección del giro. Patrones generales de circulación de la atmósfera Fuerzas que definen los patrones de viento Fuerza de fricción (F f ): fuerza que se opone al flujo de las masas de aire, esta fuerza es proporcional a la velocidad de circulación de las masas de aire y a la rugosidad de la superficie. Su efecto disminuye con la altura y se considera despreciable sobre 1 km desde la superficie.

16 Patrones generales de circulación de la atmósfera Fuerzas que definen los patrones de viento La interacción del gradiente de presión, la fuerza de corriolis y la fricción de la superficie genera como resultante los vientos geostróficos (u). Notar que la fuerza de fricción (F f ) se opone a la dirección de los vientos resultantes (u) Patrones generales de circulación de la atmósfera El viento El viento es el elemento básico de la circulación atmosférica. Contribuye al transporte de calor, humedad y contaminantes. La dirección del viento que sopla con mayor frecuencia en una zona se denomina prevalente o predominante. Ej: Viento Norte: Es aquel que sopla de norte a sur.

17 Efectos locales de circulación Los efectos locales de circulación resultan del calentamiento desigual de la superficie. Principalmente se distinguen dos efectos muy marcados Brisa marina Vientos de valle y montaña Estos efectos se deben considerar desde el punto de vista de control de la contaminación. También desde el punto de vista del potencial de la energía eólica. Efectos locales de circulación El efecto de brisa marina Durante el día la tierra se calienta rápidamente lo cual calienta el aire cercano a la superficie, este comienza a ascender y se produce una zona de baja presión en la tierra. Y asi comienza un mecanismo de circulación local de masas de aire Durante la noche la tierra se enfría rápidamente en comparación con la T del océano, esto revierte el patrón de circulación local y el viento superficial comienza a soplar hacia el océano (brisa de tierra)

18 Efectos locales de circulación El efecto de valle y montaña Durante el día el aire se calienta rápidamente en el valle y asciende por la ladera de la montaña Durante la noche la superficie de la tierra se comienza a enfriar y las masas de aire cercana a la superficie también. Esto genera que las masas de aire frío desciendan por la ladera de la montaña hacia los valles. Contaminación Atmosférica Se define como la presencia de ciertas substancias en el aire, en concentraciones, niveles o permanencia lo suficientemente altos como para constituir un riesgo a la salud, la calidad de vida de la población, la preservación de la naturaleza y/o la conservación del patrimonio ambiental. LEY Nº19.300, Título I, Articulo 2º Contaminante: todo elemento, compuesto, sustancia, derivado químico o biológico, energía, radiación, vibración, ruido, o una combinación de ellos, cuya presencia en el ambiente, en ciertos niveles, concentraciones o períodos de tiempo, pueda constituir un riesgo a la salud de las personas, a la calidad de vida de la población, a la preservación de la naturaleza o a la conservación del patrimonio ambiental.

19 Contaminantes Atmosféricos Puede ser un contaminante cualquier elemento, compuesto químico o material de cualquier tipo, natural o artificial, capaz de permanecer o ser arrastrado por el aire. Puede estar en forma de partículas sólidas, gotas líquidas, gases o en diferentes mezclas de estas formas. Algunos de los principales contaminantes atmosféricos son substancias que se encuentran de forma natural en la atmósfera. Se considera contaminantes cuando sus concentraciones son más elevadas que en la situación normal. Orígenes de la contaminación atmosférica La contaminación del aire ha sido un problema de salud desde el descubrimiento del fuego. En la antigüedad, las personas encendían fogatas en sus cuevas y cabañas y frecuentemente contaminaban el aire con humo nocivo. El origen de los problemas modernos de contaminación del aire puede remontarse a la Inglaterra del siglo XVIII y al nacimiento de la revolución industrial. La industrialización comenzó a predominar por sobre las actividades agrícolas y las poblaciones se desplazaron del campo a la ciudad. Las fábricas quemaban combustibles fósiles para producir energía, tales como el carbón y el petróleo.

20 Orígenes de la contaminación atmosférica La situación empeoró con la masificación del automóvil. Con el tiempo, se presentaron episodios importantes de salud pública a causa de la contaminación del aire en las ciudades. Famoso el caso del episodio de smog de Londres de 1950 s A contar de 1957 la Organización Mundial de la Salud (OMS) se comenzó a preocupar por este tema, especialmente por sus efectos sobre la salud de las personas. En 1967 se comenzó a monitorear por primera vez la contaminación del aire Contaminantes Atmosféricos Contaminantes primarios Contaminantes secundarios naturales o antropogénicos Emitidos directamente por procesos Generados a partir de reacciones químicas en la atmósfera a partir de contaminantes primarios

21 Contaminantes primarios Contaminantes secundarios Material particulado (MPT, PM10). Compuestos azufrados (SO 2, TRS, etc.) Compuestos nitrogenados (NO, N 2 O, NH 3 ). Óxidos de Carbono (CO, CO 2, ) COV (Orgánicos volátiles) Se generan por reacciones fotoquímicas en la atmósfera (smog fotoquímico) O 3 (troposférico) NO 2 Material particulado Sulfatos y nitratos Contaminante Atmosférico Natural: Contaminante emitido en forma natural, sin la intervención del hombre volcanes Incendios naturales Aerosol marino Vientos (polvo) Actividades biológicas Antropogénico: contaminante emitido por las actividades del hombre Uso de combustibles fósiles Actividades agropecuarias Modificación del paisaje Industrias

22 Fuentes de emisión de contaminantes atmosféricos Fuentes fijas (estacionarias) Fuentes móviles Fuentes puntuales Fuentes areales En vías y caminos Fuera de vías Contaminantes criterio Material particulado (MP10 y MP2.5) Monóxido de carbono (CO) Dióxido de azufre (SO 2 ) Dióxido de nitrógeno (NO 2 ) Ozono (O 3 ) Plomo (Pb) MP10 = material particulado igual o menor a 10 micrómetros (µm) en tamaño

23 Componentes Aire limpio Aire contaminado SO ppm ppm O ppb ppb CO <1 ppm ppm NOx (NO 2 NO) ppm ppm Material Particulado µg/m µg/m 3 Contaminantes Atmosféricos Los efectos de la contaminación del aire sobre la salud humana varían enormemente de persona en persona. Los más afectados por la contaminación del aire son los ancianos, lactantes, mujeres embarazadas y enfermos crónicos del pulmón y corazón. Las personas que hacen ejercicios al aire libre también están propensas porque respiran más rápido y profundamente, lo que permite un mayor ingreso de contaminantes a los pulmones. Los que ejercitan en áreas de gran tránsito se pueden estar causando más daño que beneficio.

24 Material particulado respirable MP10 (material particulado 10 µm en díametro) MP10 Asma Dificultades respiratorias Disminución de la resistencia ante infecciones respiratorias Muerte Efectos del MP10 en la salud de las personas MP emitido de central termoeléctrica a carbón Fuente: Pope, et al Particulate air pollution as a predictor of mortality in a prospective study of U.S. adults. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 151:

25 Dióxido de azufre SO 2 Irritación de la mucosa Constricción bronquial Asma Dificultades respiratorias Dióxido de nitrógeno Asma. NO 2 Dificultades respiratorias. Disminución de la resistencia ante infecciones respiratorias

26 Monóxido de carbono CO Altas concentraciones: Muerte O 2 y CO son transportados por la hemoglobina en el torrente sanguíneo. Afinidad de la hemoglobina por CO= 200 veces que por el O 2. Limita la capacidad de transporte de O 2 hacia las células (asfixia) Ozono O 3 Oxidante Irritación pulmonar Asma Dificultades respiratorias Disminución de la resistencia ante infecciones respiratorias

27 Plomo Pb También se puede introducir por ingestión Metal toxico Perturbación de hemoglobina y anemia Incremento de la presión sanguínea o taquicardia Daño a los riñones y en el sistema urinario Perturbación del sistema nervioso y daño neurológico Produce retardos mentales en infantes. Fuente: CONAMA Informe de Gestión de la Calidad del Aire. Gran Concepción

28 Más Contaminantes Atmosféricos También existen otros tipos de clasificación de contaminantes dañinos para el hombre, llamados Contaminantes Peligrosos del Aire Los contaminantes peligrosos son compuestos cancerígenos y no cancerígenos que pueden causar efectos serios e irreversibles en la salud de las personas. Algunos países adoptan normas de calidad para controlar la emisión de estos contaminantes peligrosos basadas en sus efectos para la salud. Contaminantes Peligrosos del Aire, HAPS Asbesto Cloruro de vinilo Benceno Arsénico Berilio Mercurio Radón Radionúcleos diferentes del radón.

29 Tipos de Efectos Sobre los Seres Humanos y Otros Seres Vivos Efectos crónicos Efectos agudos Muerte prematura Factores que influyen en la contaminación atmosférica y calidad del aire Condiciones que generan un problema de contaminación del aire/ calidad del aire 1. Tienen que existir fuentes que emiten contaminantes a la atmósfera (natural + antropogénico) 2. Los contaminantes emitidos tienen que estar de algún modo confinados a un volumen de aire finito (restringido) 3. El aire contaminado debe interferir/ afectar la calidad de vida de las personas o el medio ambiente. La condición Nº 2 ocurre debido a la topografía y principalmente a condiciones meteorológicas que restringen la mezcla y dispersión de contaminantes cercanos a la superficie.

30 Escala de contaminación Urbana: smog fotoquímico (CO, NO 2, PM, O 3, SO 2, Pb) Regional: deposición y lluvia ácida, problemas de visibilidad (H 2 SO 4, HNO 3 ) Global: Cambio climático y destrucción de la capa de ozono (CFC s, CO 2, CH 4 ) Contaminación urbana Smog fotoquimico O 3, NO 2, PM, COV, Pb y otros

31 Contaminación urbana Fuentes contaminantes Transito vehicular Industrias Residenciales Contaminación urbana Transito vehicular Aporta importantes cantidades: MP CO NOx COV SO 2 (diesel) Pb (Gasolina con plomo) Otros Motor combustión interna Se agregaba plomo (Tetraetilo de plomo) a la gasolina como aditivo

32 Contaminación por Transporte Ciudad México, México Población: ~ 19 millones (D.F. + C.M.) Flota vehicular: > 3.5 millones ( 9 años de edad) Contaminación por Transporte Beijing, China Población: ~12,8 millones En agosto de 2007 se prohibió la circulación de más de 1 millón de vehículos particulares para ver si esta medida puede bajar los índices de contaminación durante las próximas Olimpiadas. La medida adoptada fue exitosa. Fuente: CNN World

33 Fuente: Banco Mundial Contaminación por Transporte Santiago, Chile Población: ~5,7 millones Se pensaba que con la puesta en marcha del Transantiago los problemas de contaminación del aire en la ciudad se solucionarían..

34 Santiago Estación parque O Higgins OJO: Notar que la leyenda del gráfico esta incorrecta para las referencias Fuente: INE- C H I L E - ME D IO AMB I E N T E I N FORME A N U A L

35 Fuente: C H I L E - ME D IO AMB I E N T E I N FORME A N U A L INE

36 Contaminación urbana Santiago, Chile Fuente: Artaxo et al Aerosol composition and source apportionment in Santiago de Chile. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 150: Contaminación urbana Industrias Aporta importantes cantidades: MP CO NOx COV SO 2 (diesel y carbón) Pb TRS Otros

37 Contaminación urbana Industrias Olores molestos TRS Ácido sulfhídrico (H2S) Mercaptanos Amonio Problemas de MP10 y SO 2 en la zona norte el país Tocopilla, II Región.

38 Problemas de MP10 en Tocopilla Norgener Electroandina Fuente: DICTUC Análisis de la calidad del aire para MP-10 en Tocopilla

39 Problemas de MP10 en Tocopilla Fuente: DICTUC Análisis de la calidad del aire para MP-10 en Tocopilla Condición actual de la ciudad de Tocopilla Excedencia estándar anual de material particulado respirable (MP10) durante el periodo 2002, 2003, (>50 µg/m 3 ) Seremi de Salud, solicitó a la COREMA iniciar proceso para declarar zona saturada por PM-10 a la ciudad de Tocopilla, en Septiembre de Actualmente la zona circundante a la ciudad de Tocopilla se encuentran declarada como Zona Saturada por Material Particulado Respirable MP10, como concentración anual, a través del D.S. N o 50/07 del MINSEGPRES.

40 Problemas de MP10 y SO 2 en la zona norte el país Chuquicamata, II Región Antecedentes disponibles señalan que el área poblada cercana a la fundición se encuentra saturada por los contaminantes anhídrido sulfuroso (SO 2 ) y material particulado respirable (MP10). En efecto, mediante D.S. Nº185 de 1991 del Ministerio de Minería se declaró zona saturada está área para los contaminantes antes mencionados. Problemas de MP10 y SO 2 en la zona norte el país Chuquicamata, II Región Fundición de Cobre división Chuquicamata CODELCO Chile

41 Problemas de MP10 y SO 2 en la zona norte el país Chuquicamata, II Región Fuente: CONAMA Informe Seguimiento Plan de Descontaminación de Chuquicamata año 2005 Problemas de MP10 y SO 2 en la zona norte el país Chuquicamata, II Región D.S. No. 206/01 Establece nuevo plan de descontaminación para la zona circundante a la fundición Chuquicamata de la División Chuquicamata de Codelco chile Fuente: CONAMA Informe Seguimiento Plan de Descontaminación de Chuquicamata año 2005

42 Problemas de MP10 y SO 2 en la zona norte el país Chuquicamata, II Región Fuente: CONAMA Informe Seguimiento Plan de Descontaminación de Chuquicamata año 2005 Contaminación urbana Combustión a leña residencial (Estufas y cocinas a leña) Aporta importantes cantidades: MP CO COV Otros Importante fuente de contaminación en ciudades del sur de CHILE

43 Contaminación urbana Promedio 24-h MP10 Estación Las Encinas, Temuco Concentración MP10 (µg/m3) Combustión de leña Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fecha Importante fuente de contaminación en ciudades del sur de CHILE Contaminación urbana Problemas con la combustión de leña La leña, como combustible sólido, es el tercer combustible de mayor importancia en el país después del petróleo y el gas natural, no está regulada en su calidad, y no posee institucionalidad con facultades legales para ello. El consumo de leña en Chile está concentrado en la zona sur del país, donde constituye el principal combustible para calefaccionar viviendas. El año 2000 el 84% del consumo total de leña fue de bosque nativo.

44 Contaminación urbana Problemas con la combustión de leña Contaminación urbana Problemas con la combustión de leña

45 Contaminación urbana Problemas con la combustión de leña Temuco y Padre Las Casas Contaminación Regional Precipitación ácida Perdida de visibilidad

46 Contaminación del suelo precipitación ácida Luz, humedad SO 2, NOx H 2 SO 4, HNO 3 Estos nitratos y sulfatos se combinan con el vapor de agua para formar sustancias acidificantes. Se considera lluvia acida cuando el ph < 5,6

47 Fuente:School of Earth and Atmospheric Sciences. Georgia Institute of Technology. Perdida de la visibilidad, extinción de luz Shenandoah Valley, US

48 Perdida de la visibilidad, extinción de luz Gran Cañón, US Las luces de las ciudades desde el espacio Fuente: IPPC 2001

49 Contaminación global de la atmósfera Fuente: IPPC 2001 Contaminación a Escala Global Calentamiento global Destrucción de la capa de ozono

50 Incrementos en los niveles de radiación UV-B en los últimos 10 años Fuente US EPA