Cómo esta formada la atmósfera físicamente? LA ATMOSFERA Y LA CONTAMINACION ATMOSFERICA ATMOSFERA

Transcripción

1 LA ATMOSFERA Y LA CONTAMINACION ATMOSFERICA Ing. Carlos Pacas Departamento de Medio Ambiente Universidad Don Bosco ATMOSFERA Composición. Los gases fundamentales que forman la atmósfera son: % (en vol) Nitrógeno Oxígeno Argón CO TODOS LOS COMPONENTES DE LA ATMOSFERA SE ENCUENTRAN EN EQUILIBRIO DINÁMICO.. Si se rompe este equilibrio agregando alguna sustancia en cantidades mayores de las que normalmente posee, se dice que la atmósfera esta contaminada. Cómo esta formada la atmósfera físicamente? 1

2 OTRA FORMA DE VER LA ATMOSFERA METEOROLOGIA Transporte Convectivo Horizontal: Velocidad y Dirección del viento Altura de Mezcla: Altura Máxima a la cual sube el aire caliente Transporte Convectivo Vertical: Estabilidad Atmosférica e Inversiones Térmicas Capa de Mezclado: Masa de aire debajo de la altura de mezcla 2

3 El grado de estabilidad atmosférica y la altura de mezcla resultante tienen un importante efecto en las concentraciones de contaminantes en el aire. La temperatura y la presión atmosférica influyen en la flotabilidad de las parcelas de aire. Mientras las otras condiciones permanezcan constantes, la temperatura del aire (que es un fluido) subirá a medida que la presión atmosférica aumenta y decrece a medida que ésta disminuye. En lo que respecta a la atmósfera, en la cual la presión del aire decrece con una altitud mayor, la temperatura normal de la troposfera disminuye con la altura. Pluma de espiral El grado en el que una parcela de aire se eleve o descienda dependerá de la relación existente entre su temperatura y la del aire circundante. Mientras más alta sea la temperatura de la parcela de aire, ésta se elevará; mientras más fría, descenderá. Cuando la temperatura de la parcela de aire y la del aire circundante son iguales, la porción no se elevará ni descenderá a menos que sea bajo la influencia del flujo del viento Pluma de abanico Pluma de flotación Pluma de cono Fumigación 3

4 CLASIFICACIÓN N DE LOS CONTAMINANTES Desde el punto de Vista Químico Desde el punto de vista Físico CONTAMINANTES Primarios GASES VAPORES AEROSOLES Secundarios Clasificación n de los contaminantes Los contaminantes primarios son aquellas sustancias que se generan a nivel del suelo y son emitidas directamente a la atmósfera desde una fuente identificable Los principales de esta categoría son : Monóxido de Carbono (CO) Dióxido de Carbono (CO 2 ) Monóxido de Nitrógeno (NO) Dióxido de Nitrógeno (NO 2 ) Dióxido de Azufre (SO 2 ) Partículas Suspendidas 4

5 MONOXIDO DE CARBONO Es el contaminante mas abundante en el aire en la capa inferior de la atmósfera especialmente en los centros urbanos y es por su característica muy peculiar tal vez el mas dañino de los indicadores de la calidad de aire por una parte el gas es incoloro e insípido lo cual hace imposible detectar por los sentidos. por otra parte es toxico a tal grado que en concentraciones elevadas puede provocar la muerte en minuto la naturaleza emite (CO ) a través de los océanos las plantas y la oxidación natural de los hidrocarburos especialmente de los metanos pero al igual en los casos anteriores se descarga en cantidades pequeñas de manera q no constituye ningún problema. CO2 Se libera de forma natural tanto en los océanos el suelo durante el proceso de respiración de los seres humanos y animales y durante el proceso de descomposición de la materia orgánica. MONOXIDO DE NITRÓGENO (NO) : Desde el punto de vista de la contaminación atmosférica se les llama oxido de nitrógeno en forma genérica el oxido nitrógeno(no) al dióxido de nitrógeno (NO2) al oxido de nitrosito(n2o) y al pentóxido de nitrógeno (NO2P5)aun que es el dióxido que se encuentra en mayor cantidad en relación a otras. Óxidos de Nitrógeno NO + NO2 se refiere como NOX Proviene principalmente de la combustión Nox Térmico. Se produce cuando el N2 y el O2 se calientan a altas temperaturas (>400 grados C) Nox Combustible. Del nitrógeno contenido en el combustible Las emisiones de Nox son principalmente NO. El NO reacciona y forma NO2 que absorbe la luz. NO2 + Hidrocarburos smog NO2 + OH * HNO3 (lluvia acida) 5

6 DIOXIDO DE AZUFRE (SO2): Proviene principalmente del azufre contenido en los combustibles fósiles (gasolina, diesel, aceite, y combustible industrial del petróleo, carbón etc) y de las fundiciones de extraer metales. Óxidos de azufre El SO2 y SO3 se refieren al Sox Provienen de combustibles conteniendo azufre Industrias de la fundición y refinación tiene normas especificas El contenido de azufre en combustibles va del 0.05 al 6% (carbón y líquidos) PARTICULAS SUSPENDIDAS Se refieren a las diferente sustancias orgánicas e inorgánicas de diferente tamaño y composición que se encuentran dispersa en la atmósfera en forma de pequeñas partículas sólidas o pequeñas gotas de líquidos. Los contaminantes secundarios son aquellos que se generan en la atmósfera mediante las reacciones de dos o más contaminantes primarios entre sí o con alguno de los componentes habituales del aire, con o sin foto activación (acción de la luz ultravioleta del sol). 6

7 Ozono Los principales de esta categoría son El Dióxido de Nitrógeno (NO 2 ) Oxido Nitroso (N 2 O) Ácido Nítrico (HNO 3 ) Ozono (O 3 ) Ácido Sulfúrico (H 2 SO 4 ) Plomo y Compuestos Orgánicos Volátiles (VOC). No se emite directamente a la atmósfera Se produce por reacciones que involucran a hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y la luz solar Danos en materiales Reduce la vida útil de llantas y hules Puede reducir la producción agrícola En la salud Irritación en ojos y garganta Construcción del pecho En altas concentraciones agrava enfermedades respiratorias AEROSOL Polvo Exhalación Humo Llovizna Neblina Nucleos de condensación AEROSOLES (FISICOS) ORIGEN Partículas sólidas formadas por la trituración de materiales de los cuales conservan sus propiedades químicas. <100um > Partículas sólidas formadas por la condensación de vapores producidos a altas temperaturas por combustión o sublimación y con diámetros que oscilan entre um. Pueden tener la misma composición química de los productos que los originaron o pueden estar ya oxidadas (Ox. Metálicos) Partículas sólidas o liquidas con diámetros <0.5 um producidas por la combustión de sustancias orgánicas. Partículas liquidas de tamaño variable ( um) producidas por el efecto de turbulencia en un liquido (atomización) o por su condensación. Aerosol producido por la condensación del liquido a altas humedades. Los tamaños de las partículas >1 um Partículas muy pequeñas (<0.1 um) producidas por proceso de combustión. UNIDADES Volumen por unidad de volumen: ppm, ppb o % Masa por unidad de volumen: ug/m3 Índices de la calidad de aire: valores adimensionales (normalizados) 7

8 FUENTES DE EMISIONES DE LOS CONTAMINANTES Fuentes naturales Actividades Humanas DIFUSION Y TRANSPORTE Depende de: Fenómenos Geo -químicos Fenómeno Biológicos Fenómenos Atmosféricos Trafico Vehicular Procesos Industriales Generación de electricidad Incineración, etc. La meteorología Tipo y ubicación de la fuente emisora La geografía de la región Tipo de contaminante Transferencia de los contaminantes de la atmósfera a las personas 8

9 Efectos en las personas Sistema respiratorio Alergias del sistema inmunológico Piel y tejidos mucosos Sistema cardiovascular Sistema nervioso Efectos cancerigenos Cáncer en la piel Efectos en los animales Sistema respiratorio Piel y tejidos mucosos Daños indirectos al ingerir agua, plantas y otros animales contaminados Efectos en las plantas Reducción de tamaño Daños de follaje Capacidad de realizar fotosíntesis Efectos en los bienes materiales Corrosion en marmol, hormigon, metales y otros Debilitamiento de estructuras metalicas Daños a pinturas y fachadas 9

10 EFECTO INVERNADERO Efectos de Acuerdo a la Distancia Efectos Locales Efectos Regionales Efectos Globales II. CALIDAD DEL AIRE, SALUD PUBLICA Y MONITOREO ATMOSFERICO EMISION E INMISION 10

11 Limites de Inmisión Buscan cumplir metas de salud publica y/o medio ambiente Están asociadas a un tiempo de exposición No se pueden regular directamente Afecta directamente al receptor No se les puede asociar a una fuente especifica Limites de Emisión Buscan como meta, que se cumplan los limites de inmisión Se asocian a una fuente especifica por unidad de tiempo, o unidad de actividad realizada Se regulan directamente No siempre afecta directamente al receptor. Indicadores de la Calidad del Aire Los que se emiten en mayor cantidad Los mas dañinos para la salud Contaminante NOx CO Riesgos para el medio ambiente Contribuye a la formación de smog fotoquímico y de la lluvia acida Riesgos para la salud humana Irritación del tracto respiratorio Cambio de las funciones del pulmón Causa Bronquitis en niños Reducción del transporte de oxigeno hacia los órganos y tejidos, en casos drásticos daños en círculos sanguíneo y cerebro 11

12 Contaminante Riesgos para el medio ambiente Riesgos para la salud humana PM10 CFC Efectos químicos y fisiológicos en plantas. Destruyen la capa de ozono estratosférico Disminución de las funciones del pulmón Facilitan el ingreso de materiales pesados, hidrocarburos y otros cancerigenos a las partes mas finas del pulmón Directamente no causan daño Indirectamente contribuyen a causar daños en la piel por la radiación. Contaminante SO2 Riesgos para el medio ambiente Lluvia Acida Riesgos para la salud humana Irritación en las vías respiratorias Perdida del sentido del olfato Casos graves: Disminución de la función pulmonar. Contaminant e NO2 Guía OMS 40 µg/m3 Guía EPA 100 µg/m3 Guía México 395 µg/m3 Guía Alemania 80 µg/m3 Estudios epidemiológicos CO SO2 Pb O3 104 µg/m3 50 µg/m3 120 µg/m3 120 µg/m3 10 µg/m µg/m3 1.5 µg/m3 235 µg/m µg/m3 79 µg/m3 1.5 µg/m3 216 µg/m µg/m3 140 µg/m3 2.0 µg/m µg/m3 Sirven para establecer una correlación entre las concentraciones de contaminantes en el aire y los riesgos a la salud humana COV nd 160 µg/m3 nd Nd 12

13 Cómo se llevan a cabo? Censo de población sometida a riesgo Medidas de concentración de contaminante en el área de estudio Tiempo de exposición # de muertes relacionadas a la contaminación atm. (mortalidad) # de casos de enfermedad debidas a la contaminación atm. (morbilidad) Índices de Calidad del Aire Son valores normalizados de concentración de contaminantes Se pueden expresar en una misma escala sin unidades! Independientemente de cual contaminación se trate 0-50 Valor del índice Descripción de la calidad del aire Moderada Moderada No saludable para grupos de riesgo Color Verde Amarillo Anaranjado Efecto en la salud Ninguno Individuos inusualmente sensibles podrían experimentar síntomas respiratorios Molestias al respirar para personas con enfermedades respiratorias como asma y personas muy activas Recomendacio nes Ninguno Individuos inusualmente sensibles deberían considerar evitar esfuerzos prolongados al aire Personas muy activas o con enfermedades respiratorias como asma deberian limitar los esfuerzos al aire libre No saludable Muy poco saludable Peligrosas Rojo Morado Marrón Mayor riesgo de experimentar dificultad para respirar en personas muy activas Síntomas y daños respiratorios en aumento para personas muy activas o con enfermedades respiratorias. Aumento de probabilidad de defectos respiratorios en población en general. Efectos respiratorios severos en personas muy activas o con padecimientos respiratorios. Aumento de probabilidad de efectos en la población en general. Personas muy activas o con enfermedades respiratorias como asma deberían evitar los esfuerzos prolongados al aire libre. El resto de la población, especialmente los niños deberían limitar los esfuerzos prolongados al aire libre Personas muy activas o con enfermedades respiratorias como asma, deberían de evitar todo esfuerzo al aire libre. El resto de la población especialmente los niños deberían limitar los esfuerzos al aire libre. Toda la población debería evitar los esfuerzos al aire libre. 13

14 Monitoreo de la Calidad del Aire En EE.UU. es obligatorio divulgarlos en ciudades con mas de 350,000 h Informar al publico Base para estudios epidemiológicos Evaluación de efectividad de medidas adoptadas. Respaldo científico a las decisiones políticas adoptadas Base para aplicación de modelos de simulación Evaluar tendencias de contaminación Monitoreo de la Calidad del Aire Métodos Pasivos Métodos Activos Métodos Automáticos Sensores Remotos Bioindicadores Métodos Pasivos 1) Captura de las sustancias contaminantes en el aire que circula en forma natural por medio de un materia absorbente Métodos Pasivos 2) Análisis en un laboratorio del material absorbente ya utilizado 14

15 Métodos Pasivos 3) Calculo a través de formulas matemáticas, de la concentración de contaminantes en el aire Coeficiente difusión molecular Geometría del muestreador Tiempo de exposición Ventajas de Métodos M Pasivos Son métodos de bajo nivel tecnológico. Tecnología convencional de laboratorio Son de bajo costo económico Ventajas de Métodos M Pasivos Son métodos de bajo nivel tecnológico. Tecnología convencional de laboratorio Son de bajo costo económico Desventajas Métodos M Pasivos Solamente miden concentraciones promedio para periodos relativamente grandes Muy sensibles al error humano. 15

16 Métodos Activos 1) Captura de las sustancias contaminantes en el aire que es bombeado a través de un medio de recolección física o química. 2) Análisis en un laboratorio del material de recolección utilizado 3) Calculo a través de formulas matemáticas, de la concentración de contaminación en el aire 1) Volumen total y caudal del gas 2) Medio recolector: físico o químico Métodos Activos Ventajas Métodos Activos. Desventajas Las mismas de los métodos pasivos.. Las mismas de los métodos pasivos Se pueden medir concentraciones promedio para periodos mas cortos de tiempo Requieren de energía eléctrica Levemente mas caros que los pasivos 16

17 Métodos Automáticos ticos Equipo de medición n de chimeneas 1) Utilizan instrumentos con circuitos eléctricos complejos 2) Transforman una propiedad física o química del gas monitoreado en impulsos eléctricos proporcionales a la concentración de dicho gas 3) A través de cálculos internos arroja un valor de concentración. Ventajas La medición es continua e instantánea Almacenamiento y transmisión de datos automática Disminuye la probabilidad de error humano Desventajas Costo de inversión inicial y de operación muy elevado Equipos requieren de personal técnico calificado para su mantenimiento Equipos son frágiles Requieren de estabilidad en el flujo de energía eléctrica Requieren computadoras con software especializado y línea telefónica para transmisión de datos 17

18 Sensores Remotos Redes de Monitoreo Miden concentraciones de contaminantes en un área determinada pero a distancia. Pasivos: Miden la luz solar reflejada en la atmósfera por los contaminantes Activos: Emiten un rayo de luz infrarrojo y miden su grado de absorción Se emplean desde un avión o un satélite Las imágenes son analizadas por especialistas Se utilizan con fines de investigación. Estacion Estacion Estación Central -Juntar información -- Interpretar datos -- Pronósticos (modelos) Medios Estación Flujo de Información Evaluación Y control Políticos Publico III. LAS FUENTES DE EMISIONES DE CONTAMINANTES Actividades Humanas Fuentes fijas Fuentes de área Fuentes Móviles 18

19 Fuentes Fijas Plantas de generación termoeléctrica Procesos de producción industrial Quema e incineración de desechos Platas Termoeléctricas 1) Calderas de vapor + turbinas 2) Motores de combustión interna Las emisiones dependen del combustible utilizado: carbón, fuel oil, diesel, gas natural, otros. Plantas Termoeléctricas Todas producen emisiones de partículas, Sox, Nox y COV. (en algunos casos metales pesados). La cantidad de cada uno de estos depende del tipo de combustible empleado Procesos de Producción Industrial Las emisiones provienen de dos posibles fuentes 1) Combustión Industrial 2) Operaciones Unitarias de Producción Es necesario clasificar primero por categoría las fabricas, y luego se pueden definir que contaminantes emite c/categoría. 19

20 Procesos de Producción n Industrial PROCESOS DE PRODUCCION Extracción y procesamiento de aluminio Refinación de petróleo e industria química Producción de circuitos y componentes electrónicos Producción y procesamiento de vidrio Industria farmaceutica Producción de pulpa y papel Producción de fertilizantes EMISIONES PRODUCIDAS Fluor, Acido fluorhidrico, compuestos orgánicos volátiles y materiales particulados HCl, benceno, 1-2 dicloroetano, cloruro de vinilo, amoniaco, sulfuro de hidrogeno, Ni, V, Nox, Sox y partículas VOC, fosfina, arsina, acido fluorhidrico y HCL Partículas, metales pesados (el tipo de metal depende del tipo de vidrio), fluor, arsénico y HCL Partículas, metales pesados (el tipo de metal depende del tipo de vidrio), fluor, arsénico y HCL Partículas, Nox, sulfuro de hidrogeno y azufre Amoniaco, urea, Nox y partículas Quema e Incineración n de Desechos DESECHOS AGRICOLAS DESECHOS TOXICOS Y PELIGROSOS DESECHOS MUNICIPALES DESECHOS HOSPITALARIOS Quema e Incineración n de Desechos Principalmente producen partículas inorgánicas no combustibles, Nox, gases ácidos, CO, metales pesados, dioxinas y furanos Quema e Incineración n de Desechos Producen: los mismos contaminantes de los desechos municipales pero con una mayor variedad de compuestos orgánicos altamente tóxicos. 20

21 Quema e Incineración n de Desechos Producen: Compuestos órgano metálicos, HCL, SO2, Nox y variedades de compuestos orgánicos altamente tóxicos FUENTES DE AREA Fuentes de Área Sus emisiones depende del combustible empleado: gas natural, gas propano, diesel, gasolina, leña, carbón, etc. Nox, CO, partículas, HC, SO2 FUENTES MOVILES Motores Diesel Motores de gasolina 21

22 Vehículos a gasolina Emisiones de Escape Emisiones de Escape Emisiones Evaporativas VEHICULO CON CARBURADOR Ineficiente No logran mantener la proporción airecombustible VEHICULO DE INYECCION Mas eficientes Mantiene constante la proporción airecombustible Diurnas En caliente Durante operación Nocturnas Por abastecimiento 22

23 V- LOS MODELOS DE SIMULACION También se encuentran presentes los HC, que trabajan con base a la mezcla del combustible (Rica y Pobre) Utilidad 1. Pueden calcular las inmisiones de un contaminante en cualquier punto de un área determinada 2. Pueden hacer pronósticos sobre la situación futura de los niveles de inmisión de dicho contaminante. Emisión Es la expulsión de los contaminantes a la atmósfera. Depende casi exclusivamente de la fuente emisora, su naturaleza y los procesos que en ella se lleven a cabo 23

24 Transmisión Incluye: La dispersión del contaminante en la masa de gases Su transporte de una región a otra Su transformación química y/o física Depende de: 1. La naturaleza del contaminante 2. La meteorología 3. En menor grado de la topografía y ubicación de la fuente emisora Inmisión Deposición hacia su destino final depende de 1. La naturaleza del contaminante 2. La meteorología 3. La topografía 4. La ubicación del receptor Emisiones, Datos Meteorológicos, Topográficos, etc. TIPOS DE MODELOS Formulas Matemáticas Leyes físicas Aspectos químicos DINAMICOS EMPIRICOS Calculo de inmisiones ESTACIONARIOS 24

25 Modelos Dinámicos Resuelven las ecuaciones matemáticas de manera exacta Requieren de supercomputadoras Se emplean con fines de investigación Modelos Empíricos Utilizan métodos estadísticos para establecer una correlación empírica entre emisiones e inmisiones. Para una región determinada requieren de una base histórica de datos muy amplia Son los modelos mas inexactos Son útiles para pronósticos y estimaciones preliminares pues una vez desarrollados no requieren de muchos datos Modelos Estacionarios Resuelven las ecuaciones matemáticas de forma numérica, pero planteando antes simplificaciones y restricciones. Pueden utilizarse con computadoras personales. Son los mas utilizados y los que se venden comercialmente Entre estos los modelos de Gauss son los mas aceptados. TEOREMA DE GAUSS La difusión turbulenta de los Gases en la atmósfera puede Tratarse como la difusión Molecular de acuerdo a las Leyes de Fick 25

26 Modelos de Gauss Restricciones: No hay deposición de contaminantes en el suelo La superficie del área de estudio tiene topografía constante El contaminante no sufre transformación química Ventajas: Modelos de Gauss Consideran la meteorología Se obtienen resultados muy rápidos Se utilizan con PC corrientes Resultados bastante confiables Para obtener el modelo de una pluma mediante la distribución gausiana, es necesario que: La dispersión de la pluma tenga una distribución normal (esto es, una distribución acampanada, como se muestra en la figura La tasa de emisión (Q) sea constante y continua La velocidad y la dirección del viento sean uniformes La reflexión total de la pluma se produzca en la superficie 26

27 Existen herramientas en internet para Analizar modelos de dispersión gaussianos Conclusiones Los modelos de simulación no pueden ser sustitutos de estaciones de monitoreo, son complemento de estas! El uso de modelos de simulación requiere de una gran coordinación entre varias instituciones O2 + N2 COMBUSTION TEORICA + HC O2 + N2 COMBUSTION REAL + HC N2+CO2+ H20 CO+NOX+ H20+ CO2+ HC+ aditivos 27

28 La Volatilidad Es la capacidad de una sustancia de evaporarse. Se representa por la Presión de Vapor de Reid (RVP). Debe ser suficientemente alta para que el motor arranque en frío, pero suficientemente baja para no causar muchas emisiones evaporativas. País/Región Chile México DF Centro América La Volatilidad Limite Máximo Verano Limite Máximo Invierno Contenido de Azufre Produce emisiones de SO2 Inhible la función del catalizador produciendo aumento en las emisiones de Nox, CO y HC Calidad Europa y USA: Menos de 150 ppm Calidad CA: ppm Parámetros de Control Ambiental (Diesel) Contenido de azufre Contenido Aromáticos Densidad Contenido de azufre 28

29 Contenido de Azufre Considerablemente mayor que el de la gasolina Mayores emisiones de SO2 Impide el uso de sistemas de escape para vehiculos diesel (trampas de hollin y catalizadores) Tecnologías de Control. Fuentes Móviles Diesel Eficiencia de 90 a 95% en reducción de la masa particulada. REQUISITOS: DIESEL DE BAJO AZUFRE 0.05% COMO MINIMO Contenido de Azufre Numero de Cetano País/Región USA Unión Europea Centro América Calidad Actual < 500 ppm < 350 ppm ppm 50 ppm Es la capacidad del combustible de inflamarse en forma espontánea al ser sometido a condiciones de presión y temperatura propias de los motores diesel. Mientras mas alto sea este valor, mas rápido enciende el combustible. Se toma como referencia el hidrocarburo llamado cetano para medir esta capacidad de autoignición La presencia de aromáticos disminuye esta capacidad 29

30 Numero de Cetano Índice de Cetano Depende de: La presencia de aditivos que aumentan el cetanaje La presencia de aromáticos que bajan el cetanaje Se mide en un motor de prueba Es la medida del cetanaje, pero calculado en forma teórica de las propiedades del diesel, y no de un motor de prueba como el numero de cetano. Numero de Cetano Situación en El Salvador Pais/Region Limite Mínimo Marco Legal USA y Brasil Finlandia y Suecia Chile y Mexico Ley Ambiental Vigente Normas Calidad de Aire En proceso Regulaciones Fuentes Fijas En proceso Regulaciones Fuentes Móviles Vigente 30

31 Situación n en El Salvador Aplicación Marco Legal Situación n en El Salvador Monitoreo del Aire Control Fuentes Fijas Control Fuentes Móviles Plan Integral de Manejo de Calidad de aire En proceso Parcial NO Institución: FUSADES y EUROLATINA Método Pasivos, Activos y Automático Autosostenible NO Empleado en toma de Decisiones Parcial Situación n en El Salvador Monitoreo NO2 Combustible Gasolina Máximo Contenido de Azufre 1500 ppm Aditivos con plomo Prohibidos Diesel 5000 ppm No aplica 31

32 Monitoreo Ozono Monitoreo PTS Monitoreo PM10 32