Resumen de temas 2 y 3 Tema 2: Composición y propiedades del aire Composición del aire. Presión atmosférica. Vapor de agua en el aire. Humedad relativa. Ciclo del oxígeno. La capa de ozono Tema 3: La contaminación del aire Clasificación de los contaminantes Principales contaminantes primarios: Origen y efectos Principales contaminantes secundarios: Origen y efectos Contaminación doméstica: radón y monóxido de carbono. 1
2-1 COMPOSICIÓN DEL AIRE Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA La atmósfera permite el desarrollo de la vida: La presencia de oxígeno permite reacciones aeróbicas (intercambio energético celular) y la formación del agua junto con el H. Mantiene la temperatura y determina el clima. Nos protege de la radiación ultravioleta (UV) y partículas cósmicas. La composición de la atmosfera ha ido evolucionado desde el origen de la tierra. La aparición de los seres vivos (bacterias) sobre el planeta fue determinante para formar la atmósfera que hoy conocemos. Actualmente, la actividad humana altera su composición como consecuencia del uso de combustibles fósiles. 2
2-1 COMPOSICIÓN DEL AIRE Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA Atmósfera actual A partir de los gases componentes de la atmósfera prebiótica, los organismos vivos dan lugar a la atmósfera tal y como la conocemos hoy. En la atmósfera, además de gases existen partículas sólidas (polvo) y vapor de agua. Ese conjunto de gases, vapor de agua y partículas, es lo que denominamos aire. El planeta azul La composición actual de la atmósfera terrestre es responsable del color azulado 3 que caracteriza nuestro planeta.
2-1 Partes de la Atmósfera La atmósfera tiene un espesor de unos 1000 km. La atmósfera se divide en 5 capas dependiendo de cómo cambia la temperatura con la altura. Termopausa Mesopausa Estratopausa Ozonosfera Tropopausa (ºC) -100 50 0 50 100 150 200. 500/1500 4
2-1 Partes de la Atmósfera La troposfera es la capa inferior (0-10 km) de la atmósfera de la Tierra. La temperatura disminuye a medida que se sube en la troposfera (hasta -55ºC a 10 km). En esta capa suceden los fenómenos meteorológicos (formación de nubes, tormentas, etc ). La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra (10-50 km). A medida que se sube, la temperatura en la estratosfera aumenta (hasta 0ºC). En esta capa se encuentra el ozono que nos protege de la radiación UV( 25-35 km). La absorción de esta luz, provoca que la temperatura suba. La mesosfera es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra (50-80 km). La temperatura disminuye a medida que se sube, como sucede en la troposfera hasta los -90 C. Es la zona más fría de la atmósfera. La termosfera es la cuarta capa de la atmósfera de la Tierra (80-500 km). A esta altura, el aire es muy tenue y la temperatura cambia con la actividad solar. Si el sol está activo, las temperaturas en la termosfera pueden llegar a 1.500 C o incluso más altas. La termosfera de la Tierra también incluye la región llamada ionosfera. La exosfera es la última capa de la atmósfera terrestre (>500 km). En esta capa, los átomos se escapan hacia el espacio. La fotografía de la pagina anterior muestra la Tierra, su atmósfera, el borde del planeta, y todo eso terminado por la exosfera que se continúa en el espacio. 5
2-1 PRESIÓN ATMOSFÉRICA DEFINICIÓN DE PRESIÓN Se define como la fuerza F partido por unidad de superficie S: P = F/S [N/m 2 ] = 1 Pascal (Pa) Unidades de presión 1 N/m 2 = 1 Pa 1 bar = 1,024x10 5 Pa 1024 mbar = 1 atmósfera 1 atmósfera = 763 mmhg 1 torr = 1 mmhg La presión de la atmósfera sobre un cuerpo en la superficie de la tierra. P = F G /S=mg/S= ρvg/s= ρhg, F G es la fuerza gravitatoria del aire (peso), la m= ρv, y V=h S, con ρ como la densidad del aire (1 Kg/m 3 ), g la aceleración de la gravedad (9.8 m/s 2 ), y h la altura de la columna de aire encima del cuerpo, S superficie del cuerpo. PRESIÓN ATMOSFÉRICA 40 km Vivimos dentro de un fluido : la columna de aire de 40 km ejerce presión sobre lo que existe en su interior. La columna de aire responsable de la presión sobre la superficie terrestre llega hasta los 40 km de altura. A partir de esa altura, la densidad del aire es más de 100 veces menor a nivel del mar (por eso, se puede despreciar su efecto de empuje ). 6
Mapa de Isobaras (líneas de igual presión atmosférica) P(mbar) La diferencia de presión produce el movimiento de masas de aire: viento 7
2-2 PRESIÓN DE VAPOR. HUMEDAD La humedad del aire está relacionada con el vapor de agua que en él existe. La humedad del aire puede variar dependiendo de sus condiciones de presión y temperatura. La cantidad de vapor de agua contenida en el aire produce una presión de vapor (P V ). P V es el peso del vapor de agua (F G ) contenido en el aire por unidad de superficie. P V =F G / S La cantidad de vapor de agua (es decir P V ) depende de la temperatura del aire. Cuanto más alta es la temperatura más vapor de agua (mayor será la P V ) puede contener el aire. La P V a partir de la cual el vapor de agua comienza a condensarse en gotas de agua, es decir, el aire se satura de vapor de agua, se denomina presión de vapor de saturación (P V,s ) La grafica representa la variación 8 de la P V,S con la temperatura
2-2 VAPOR DE AGUA EN LA ATMÓSFERA La atmósfera contiene vapor de agua en cantidades muy variables dependiendo de si estamos en zonas desérticas, selváticas u oceánicas. La concentración de vapor de agua varia entre el 0.2% y el 2.7 % del volumen de aire. Ley de Dalton: La presión de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de sus constituyentes. La presión atmosférica = PN 2 +PO 2 +PH 2 O 9
2.2 HUMEDAD RELATIVA (H r ) La humedad relativa (H r ) da una idea de la distancia a la que nos encontramos de la saturación que ocurre para H r = 100%. H r es la presión de vapor (P V ) dividida por la presión de vapor saturante (P V,s ). H r = P V / P V,s x 100 Ejemplo: Calcular la Humedad relativa de una masa de aire que a la temperatura de 20 ºC su presión de vapor es de 10 mb. De la grafica anterior obtenemos que P V,s a 20 ºC es 21 mb. por lo tanto H r = (10/21)100 = 50 % 10
2-3 El OXÍGENO. Ciclo del oxígeno El ciclo natural del oxígeno se inicia en los procesos de fotosíntesis de plantas y bacterias que liberan O 2, elemento indispensable para el intercambio energético celular. Otro ciclo natural del oxígeno que tiene un notable interés indirecto para los seres vivos de la superficie de la Tierra es su conversión en ozono. 1. Las moléculas de O 2 presentes en la atmósfera que absorben radiaciones UV se rompen en átomos libres de oxígeno (O) que reaccionan con otras moléculas de O 2, formando O 3 (ozono). Esta reacción es reversible, pero con una eficiencia menor, de forma que el ozono, absorbiendo radiaciones ultravioletas vuelve a convertirse en O 2. La presencia de ozono se encuentra predominantemente en la Ozonosfera (o también denominada capa de ozono). Esta es la capa que nos protege de las radiaciones UV provenientes del Sol de unos 15 km de espesor. A este ozono se le denomina estratosférico. Su concentración es muy pequeña, pero su papel es crítico como filtro de la Radiación Ultravioleta (UV). 2. En ocasiones y debido a la presencia de contaminantes provenientes de la quema de combustibles fósiles, se forma ozono troposférico. El ozono troposférico es a su vez un contaminante que provoca daños en la salud. 11
2-3 LA RADIACIÓN UV Y SUS EFECTOS Los efectos de la radiación UV sobre los seres vivos se manifiestan de diferentes formas: -Daños oculares. Produce daños en la retina que origina la aparación de cataratas. -Daños en la piel. Produce cáncer de piel y envejecimiento prematuro de la epidermis. -Daños en el sistema inmunológico. Produce alteraciones en el sistema de defensa del cuerpo haciendonos más susceptibles ante enfermedades. -Daños agrícolas. Altera los ciclos biológicos de las plantas, reduciendo la producción de cosechas. -Daños marinos. Afecta al crecimiento de los fitoplactos, base de la pirámide alimenticia marina. 12
2-3 Mecanismos de destrucción de la Ozonosfera La aparición del agujero de ozono se debe a un tipo de gases denomindados CFCs. Estos son unos gases presentes en esprais domésticos y usados por la industria que reaccionan con el O 3 y por consiguiente destruyen la ozonosfera. Estos gases usados hasta los años 90 se acumulan durante los meses de invierno en la Antártica. Al llegar la primavera la radiación UV libera el Cloro de los CFCs y da lugar a la siguiente reacción que destruye el Ozono: Cl + O 3 ClO + O 2 Los descubridores de este mecanismo recibieron el Premio Nóbel en 1995 Premio Nobel de Química de 1995 En 1988 se firmo el protocolo de Montreal relativo a las sustancias que agotan la capa de ozono. Este es un documento donde se recojen los compromisos de la comunidad internacional por reducir el uso de estas sustancias (CFCs). 13
3- La contaminación del aire Contaminación urbana La atmósfera es un sistema dinámico continuamente en cambio. Por ello, es un lugar donde fácilmente se depositan sustancias que afectan a la salud de los seres vivos, es decir los contaminantes. Los contaminantes primarios pueden a su vez reaccionar químicamente en la atmósfera y dar lugar a nuevos compuestos contaminantes secundarios. Actualmente, la acción humana es la principal responsable de la contaminación atmosférica en gran medida debido a la quema de combustibles fósiles. A fin de reducir sus efectos nocivos en la salud y el medio ambiente se requiere conocer cuales son los contaminantes más comunes así como sus fuentes de emisión. 14
3- Clasificación de los contaminantes Los contaminantes atmosféricos se pueden clasificar, fundamentalmente, según dos criterios: Según su origen: Naturales.- Procedentes de erupciones volcánicas, tormentas, procesos biológicos. Artificiales.- Derivados de actividades antropogénicas(humanas). Son actualmente los más importantes, debido a su elevada emisión en zonas concretas (urbanas e industriales). Según su naturaleza: Bióticos.- Constituidos por materia viva, y principalmente representados por microorganismos y pólenes. Abióticos.- Formados por materia inanimada. Son estos contaminantes, los clásicamente comprendidos en la contaminación atmosférica. 15
3- Clasificación de los contaminantes La contaminación abiótica de tipo químicas resulta en : Partículas: sólidas y líquidas de tamaños muy variados, desde más de 20 µm de diámetro hasta inferiores a 0,01 µm de diámetro. Gases y vapores: que comprenden los gases permanentes y los compuestos con punto de ebullición inferior a 200 ºC. Contaminantes del aire, según su elemento característico. GRUPO Partículas Compuestos de azufre Compuestos de nitrógeno Compuestos de carbono Compuestos orgánicos Compuestos de halógenos CONTAMINANTES Cenizas, aerosoles,... SO 2, SO 3, H 2 S, SO 4 2-, NO, NO 2, NO 3-, NH 3 CO, CO 2 HC, Aldehídos... HF, HCl, F -, Cl - 16
3- Clasificación de los contaminantes El modo más específico de clasificar los contaminantes químicos, desde la panorámica de la contaminación, se realiza atendiendo a la formación de los compuestos. En este caso, existen dos grandes grupos: Contaminantes primarios: aquellos procedentes directamente de las fuentes de emisión. Se emiten directamente al aire. Ejemplos son el NO 2, el SO 2, liberados directamente de la combustión de petróleo o carbón. Contaminantes secundarios: aquellos originados por la reacción química entre los contaminantes primarios y los componentes normales de la atmósfera. Por ejemplo, la aparición de ozono troposférico en áreas urbanas se debe a la cadena de reacciones químicas: NO 2 + radiación UV -> NO + O O + O 2 -> O 3 17
3- Contaminantes primarios: Los principales contaminantes primarios son : SO 2, NO X, CO, HIDROCARBUROS y AEROSOLES Dióxido de azufre SO 2. Es un gas incoloro, no inflamable y de olor sofocante. Es soluble en agua. Fuentes -Naturales. Volcanes -Acción humana. Principalmente de la combustión de motores diesel, calefacciones y quemadores industriales. El mayor consumo de crudos tras la 2ª guerra mundial elevo en 1970 su presencia en la atmósfera más de 15 veces respecto a los valores de 1945. Efectos en la salud y en el medio ambiente (dependen de la concentración y la dosis) - Problemas respiratorios. - Lluvia ácida (afecta a la vegetación) - Corrosión de metales. Una concentración de SO 2 en la atmósfera de 1 ppm (particula por millón) causa un significante aumento de la mortalidad. 18
3- Contaminantes primarios: Dióxido de azufre SO 2. Es un gas incoloro, no inflamable y de olor sofocante. Es soluble en agua. Fuentes -Naturales. Volcanes -Acción humana. Principalmente de la combustión de motores diesel, calefacciones y quemadores industriales. El mayor consumo de crudos tras la 2ª guerra mundial elevo en 1970 su presencia en la atmósfera más de 15 veces respecto a los valores de 1945. Efectos en la salud y en el medio ambiente (dependen de la concentración y la dosis) - Problemas respiratorios. - Lluvia ácida (afecta a la vegetación) - Corrosión de metales. Una concentración de SO 2 en la atmósfera de 1 ppm (particula por millón) causa un significante aumento de la mortalidad. 19
3- Contaminantes primarios: Óxidos de nitrógeno NO X (con x =1,2 ó 3) Fuentes Principalmente provienen de la quema de combustibles fósiles. Efectos en la salud y en el medio ambiente (dependen de la concentración y la dosis) - Problemas respiratorios. - Irritación vista. - Lluvia ácida. - Corrosión de metales. 20
3- Contaminantes primarios: Óxidos de carbono CO X (con x =1 ó 2) Son gases incoloros e inodoros, el monoxido es muy tóxico incluso en concentraciones muy bajas. Fuentes Gases que proceden de la combustión de compuestos ricos en carbono. Efectos en la salud y en el medio ambiente (dependen de la concentración y la dosis) - Asfixia. - Responsable del cambio climático (gas efecto invernadero). El CO 2 es responsable al 76% de los efectos de calentamiento del planeta. 21
3- Gases de efecto invernadero Descripción del proceso A: Absorción de la radiación emitida por el Sol en las capas atmosféricas. B: Reflexión de la radiación solar (aproximadamente un 30% de la radiación absorbida). C: Captación de la radiación solar reflejada por los gases invernaderos. D: Radiación solar liberada al espacio. El ciclo formado por los puntos B y C, es el responsable de la elevación de la temperatura en las capas más cercanas a la superficie terrestre. Ciertos gases contaminantes retienen esa radiación, el mas importante es el CO 2, contribuyendo al calentamiento de La Tierra. 22
3 - AEROSOLES Son partículas sólidas suspendidas en la atmósfera con tamaños comprendidos entre 0.001µm y 100µm. Proceden de la combustión y de procesos industriales. Debido a su pequeño tamaño, no son filtradas por las vías respiratorias. Por ello, se acumulan bien en los pulmones o bien pasan al torrente sanguíneo. El aire limpio continental 3000 part/cm 3 Aire contaminado continental contiene 50.000 part/cm 3 Aire en la ciudad contiene 160.000 part/cm 3. Aire subtropical contiene 500 part/cm 3 23
3 - AEROSOLES EFECTO DE LOS AEROSOLES SOBRE LA SALUD Los efectos en la salud dependen de la concentración y la dosis. Partículas menores de 10 µm (PM 10 ) se han relacionado con problemas asmáticos y pulmonares. Trabajadores en minas de carbón en EEUU: 2000 muertes año La organización Wold health Organization estima que 2.7 millones de personas mueren cada año debido a la contaminación. 1.8 millones en zonas rurales. Partículas PM 2.5 son las mas peligrosas incluso conteniendo componentes no nocivos (pues pasan directamente al torrente sanguíneo). Un incremento de solo 10 µg/m 3 EN LOS AEROSOLES implica un aumento entre 0.5 y 1.5 % en la mortalidad diaria en espacios cortos de tiempo. Para periodos largos un incremento de 5 µg/m 3 es suficiente. 24
3 Contaminación Doméstica La contaminación doméstica procedente de la combustión para cocinar alimentos ha afectado al hombre durante miles de años. Incluso hoy en día, la falta de ventilación adecuada en los hogares aumenta los efectos de los contaminantes domésticos. Típicos contaminantes domésticos son: - Bacterias y microorganismos, como la legionela. - Asbestos: son partículas sólidas de tamaño menor que 1 µm procedentes de materiales aislantes. Causa cáncer de pulmón. - El Radón: es un gas radiactivo procedente de fuentes naturales (suelos graníticos) se acumula en el interior de los hogares siendo la 2ª causa de cáncer de pulmón. - Humo de tabaco produce cáncer de pulmón y problemas cardiacos. - Óxidos de carbono (CO y CO 2 ) procedentes de la combustión son muy tóxicos y producen la asfixia. - Dióxido de azufre (SO 2 ) En el hogar se puede liberar en las calderas de calefacción. A continuación hablaremos un poco más sobre el Radón y los óxidos de Carbono. 25
3 Contaminación Doméstica Radón (Rn) Es un gas que fue descubierto por Ernest Dorn en 1900. Procede de la cadena de desintegración radioactiva del uranio al plomo (ver figura 1). Este gas inerte se encuentra en rocas (principalmente graníticas) y otros elementos del suelo. Ciclo temporal de desintegración del Uranio Como se indica en la figura 2, el Rn puede incorporase e influir en la vida cotidiana a través de los materiales de construcción, aguas de Figura 2 pozos etc. Penetra en las viviendas a través de los sótanos. Estos lugares, generalmente poco ventilados, son el punto Rn de partida para su expansión por el resto de la casa. Figura 1 26
3 Contaminación Doméstica Radón (Rn) Efectos en la salud provocados por el Rn La inhalación de este gas mata a las celulas pulmonares lo que puede llegar a provocar cáncer de pulmón si la concentración y exposición a este contaminante son elevadas. Recomendaciones -Ventilar la vivienda, especialmente los sotanos, a fin de reducir las concentraciones de este gas en el aire doméstico. -Evitar los materiales de construcción de origen rocosa que liberan este gas. 27
3 Contaminación Doméstica Monóxido de carbono (CO) Gas venenoso incoloro e inodoro. Fuentes El 90% del CO existente en la atmósfera proviene de erupciones volcánicas. El 10% restante se debe a la acción humana: combustión de compuestos orgánicos (gasolinas, metano, butano, carbón,etc ). Efectos en la salud El CO se ata a la hemoglobina en los pulmones, impidiendo que esta atrape el oxígeno que se lleva a las celulas. En dosis y exposiciones bajas provoca nauseas, vertigo y dolores de cabeza. En caso mas graves, la asfixia. Recomendaciones En los hogares se debe tomar la precaución de tener en perfectas condiciones los quemadores de calefacción y los calentadores de agua. La ventilación de las salas donde estos se encuentren es muy importante para evitar altas concentraciones de CO en caso de liberarse. 28
BIBLIOGRAFIA para los temas 2 y 3: Cualquier ENCICLOPEDIA Puntos que podéis consultar, por ejemplo, en cualquier enciclopedia. - Presencia del oxígeno en la atmósfera terrestre: origen. - Combustión, respiración y Fotosíntesis. - Ciclo del oxígeno: ozono. - Agujero de la capa de ozono. Causas y consecuencias. 29