La atmósfera , la contaminacion del aire

LA MOTIVACIÓN fundamental que permitió la sobrevivencia del hombre fue la búsqueda de la mejor satisfacción de sus necesidades primordiales.

En nuestra sociedad actual, el avance tecnológico es enorme y en la obtención de satisfactores se ha perseguido generalmente el máximo beneficio, con el menor costo y esfuerzo. La acumulación de industrias, automóviles y otras fuentes de contaminación ha cumplido con aumentar la producción de bienes, pero a un enorme costo social, ya que ha originado una contaminación del ambiente que es incompatible con la salud humana y la sobrevivencia del ecosistema en que vivimos.

En las grandes urbes el fenómeno de la contaminación es crítico.

Aquél que piense que vivimos mejor ahora que antes, porque producimos más bienes, que piense también que estamos envenenando más, ahora que antes, el aire que aspiramos 13 veces por minuto

Sin comida, podemos vivir cerca de un mes. Sin agua, sólo unos cuantos días. Pero sin aire, moriríamos en minutos. Un aire envenenado es tan nocivo como la ausencia del mismo. En lugar de llevar oxígeno a nuestras células, la hemoglobina transporta veneno.

Quizá el caso más notorio en la historia de la contaminación ocurrió la semana del 4 al 10 de diciembre de 1952, cuando una masa de aire frío cubrió la ciudad de Londres. Debido a la baja temperatura, gran parte de la población prendió sus estufas de carbón, y la industria y la circulación de vehículos no se detuvieron. El día 6, la luz del Sol apenas penetraba la densa nube de contaminantes, que no podía salir del valle del Támesis debido a la menor temperatura de la masa superior de aire. La incidencia de ataques al corazón y las dificultades respiratorias creció. Cuando al fin el viento despejó el cielo, se estima que unas 4 000 personas habían muerto por razones atribuibles al fenómeno.

Ésta y otras catástrofes similares han hecho tomar conciencia a diversos sectores de la población, aunque muchos otros aún ignoran las letales consecuencias de la contaminación. 

Figura V.1. En la ciudad de México se emiten al día un promedio de cuatro mil toneladas de gases tóxicos que forman una capa contaminadora de hasta 300 metros de espesor. 

Vale la pena aclarar que la mano del hombre y la era tecnológica no son los únicos culpables de la impureza del aire. Se estima que cuatro erupciones volcánicas recientes (Krakatoa, 1883; Katami, 1912; Hekla, 1947; y Chichón, 1982) han arrojado más gases y partículas a la atmósfera que el hombre a lo largo de su historia.

En este capítulo revisaremos los aspectos químicos más relevantes de la contaminación atmosférica. Iniciamos con la descripción de la atmósfera, para luego considerar los diversos contaminantes y sus efectos y, finalmente, citar las medidas más generalizadas para su control. 

Figura V.2. El volcán Iztlacíhuatl (5 286 m) en el valle de México. 

LA ATMÓSFERA

La atmósfera que rodea la Tierra es una delgada capa de gases. Hasta unos 30 km de altura, el aire constituye un 99% del peso total de la atmósfera. Sólo existe el suficiente oxígeno para la subsistencia vital a alturas menores de los 6 km sobre el nivel del mar, y en los océanos (biosfera). 

Comparativamente, la atmósfera es como la piel de una manzana

La atmósfera se estructura en capas que se encuentran a diferentes temperaturas y compuestas por distintos gases:

a) La troposfera, entre 0 y 10 km sobre el nivel del mar, dentro de la cual se desarrolla la vida aérea.

b) La estratosfera, hasta 80 km de altura, es un "aire" muy enrarecido, con mucha menor densidad. En ella existe una capa de ozono, O₃, de unos 20 km de altura, que resulta esencial para la vida. Esta capa es una especie de "escudo" que protege a la Tierra de radiaciones solares letales, conocidas como rayos ultravioleta.

c) La ionosfera, que se extiende hasta unos 500 km hacia arriba, donde la concentración de materia es aún menor. Recibe su nombre debido a que la radiación ultravioleta y otros fenómenos eléctricos producen la ionización de sus componentes. Por lo tanto, allí existen iones. Estos son los responsables de que las ondas de radio "reboten" hacia la Tierra, lo que hace posible la comunicación radiofónica.

Para efectos de análisis de la contaminación, prestaremos atención a la troposfera y a la capa de ozono (O₃) en la estratosfera.

Cerca de la superficie de la Tierra, la composición del aire es la que se presenta en el cuadro V.1. 

CUADRO V.1 Composición del aire (seco y limpio) al nivel del mar
Fórmula	% en volúmen	ppm
N2	78.09	780 900
O2	20.94	209 400
Ar	0.93	9 300
CO2	0.0318	318
Ne	0.0018	18
He	0.00052	5.2
CH4	0.00015	1.5
Kr	0.0001	1
H2	0.00005	0.5
N2O	0.000025	0.25
CO	0.00001	0.1
Xe	0.000008	0.08
O3	0.000002	0.02
NH3	0.000001	0.01
NO2	0.0000001	0.001
SO2	0.00000002	0.0002

Las concentraciones están dadas en partes por millón = ppm. 

ppm= número de moléculas en un millón de moléculas de aire

Si se desea obtener el porcentaje en volumen a partir de ppm, hay que dividir entre 10 000. Entonces, fundamentalmente, el aire consiste de 78% en volumen de N₂, 21% de O₂y 1% de argón. 

Figura V.3. Principales capas de la atmósfera (no está a escala). 

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LA ATMÓSFERA. LA CONTAMINACIÓN

Como ya mencionamos, la atmósfera de hoy ha evolucionado, no es la misma que aquélla de la Tierra en formación (véase el capítulo 1).

La primera atmósfera de la Tierra estaba constituida primordialmente por H₂ y He, gases que escaparon a la fuerza gravitacional que consolidó al planeta. Al compactarse la Tierra, se elevó la temperatura interior y se inició una etapa de alta actividad volcánica que liberó hacia la atmósfera H₂O, CO₂, SO₂, N₂, CH₄ y otras molécúlas ácidas. Con la presencia del agua se inició la lluvia, la cual "lavó" la atmósfera, que conservó primordialmente N₂, H₂, CH₄ y, en menor proporción, NH₃ y otros gases. Esta es la atmósfera reductora que permitió el arraigo de la vida en la Tierra hace 4 000 millones de años.

El proceso de fotosíntesis, que puede expresarse de la siguiente manera, 

generó gran cantidad de oxígeno. Mucho hierro de la corteza se oxidó, formándose los minerales que hoy usamos para extraer el hierro. La creciente presencia de O₂ y su conversión en O₃ hizo posible que la superficie del planeta fuera menos inhóspita. Al proliferar la vida en el mar y en la tierra se formó la actual atmósfera, con una quinta parte de O₂. Todo lo anterior puede observarse en la figura V.4 y el cuadro V.2. 

Figura V.4. Temperatura de la superficie terrestre (° C) 

CUADRO V.2 Componentes de la atmósfera
Atmósfera	Formativa	Reductora	En enfriamiento	Boigénica
Componentes	H2,	CH4, H2
mayores	He	N2	N2, CO2	N2, O2
Componentes	Ne, Ar,	NH3, H2S,	H2O, CH4, CO,	Ar, CO2, H2O
menores	Kr, Xe	H2O, HCl,	Ar, O2, SO2
		CO2, HCN

La contaminación del aire proviene de la adición de sustancias que alteran su composición normal y producen efectos nocivos en las personas, animales y otros sistemas

Entre los fenómenos atmosféricos hay dos que guardan relación con la contaminación: a) la inversión térmica; y b) las reacciones fotoquímicas. Veamos cada uno de ellos.

Inversión térmica

El aire frío es más denso que el caliente. Cuando sobre una ciudad circula una corriente fría, ésta empuja el aire que se encuentra debajo, produciendo un ligero calentamiento por compresión. Por así decirlo, el aire frío atrapa a aquél sobre la ciudad y no permite la salida de los contaminantes generados. Unos pocos días en esta situación bastan para generar una crisis de contaminación. 

Figura V.5. Aire atrapado en una inversión térmica en un valle. 

Nos hamos permitido castellanizar el término "smog", del inglés: smoke:humo; fog: niebla, como esmog. Este efecto es más peligroso en ciudades asentadas en valles cerrrados, como la de México

Veamos por qué se conoce a este efecto como "inversión térmica".

En condiciones normales, la temperatura del aire crece conforme más cerca esté de la superficie. Al penetrar una capa de aire frío, esta tendencia se rompe; aquél se sitúa entre el aire tibio y comprime al que está por debajo. El fenómeno queda claro en la figura V.6. 

Figura V.6. Perfil de temperatura normal y bajo una inversión. 

Como puede observarse, existe una pequeña zona donde la temperatura crece con la altura, una inversión respecto a la normalidad.

En Londres (1952), una inversión térmica de varios días junto con la continua emisión de SO₂ y CO₂ como producto de la combustión del carbón de coque, provocó el venenoso esmog.

Esmog fotoquímico

Existe un cierto tipo de reacciones que tienen lugar gracias a la presencia de la luz: las reacciones fotoquímicas. Un ejemplo es la fotosíntesis, ya mencionada, y otro la reacción que ocurre en las películas fotográficas, cuando el obturador de la cámara se abre durante una fracción de segundo.

La energía de la radiación luminosa puede ser lo bastante alta como para ionizar un átomo:

A luz A⁺ + e ^-

o romper un enlace químico:

Cl₂  luz 2Cl

En la atmósfera contaminada ocurren multitud de reacciones fotoquímicas, las que forman productos muy irritantes, aun en proporciones de 1 mg/m³. Los más peligrosos se forman a partir de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y la acción de la luz, como los nitratos de peroxiacilo, conocidos como NPA. El proceso de su formación arranca debido a la luz, que rompe un enlace en el NO₂ atmosférico:⁷

NO₂  Luz NO + O

Este átomo de oxígeno liberado es muy reactivo, y forma ozono al chocar con oxígeno molecular:

O · + O₂  O₃

El ozono en la baja atmósfera es también un contaminante irritante

o bien, en presencia de un hidrocarburo (R'H) ocurre la reacción: 

A su vez un radical acilo es fuertemente reactivo, de tal forma que puede adicionar oxígeno molecular: 

Estos radicales peroxiacilo pueden sufrir diversas reacciones en una atmósfera contaminada, pero la más peligrosa es la que produce NPA: 

Aun en concentraciones de 0.001 ppm, el NPA produce irritación ocular, alveolar, así como daños en las cosechas

PRINCIPALES CONTAMINANTES DEL AIRE

Pueden distinguirse dos tipos de contaminantes: los primarios y los secundarios. Los primarios son los que se emiten como resultado de un proceso (fábrica, motor de combustión, etc.), y los secundarios (como el NPA) los que resultan en las reacciones atmosféricas.

Prestaremos especial atención a los primarios, ya que su eliminación previene la formación de los secundarios. Así, los principales contaminantes atmosféricos son:

1) Óxidos de azufre; 2) óxidos de nitrógeno; 3) óxidos de carbono; 4) hidrocarburos; 5) plomo; 6) ozono; 7) partículas.

A continuación expondremos más detalles de cada uno de ellos y en los cuadros V.3, V.4, V.5 y V.8 presentaremos información relativa a nuestro país.

Óxidos de azufre

Se producen cuando el azufre elemental o sus compuestos se queman en el aire.

S +O₂  SO₂

Parte del SO₂ proviene de erupciones volcánicas (originalmente como H₂S), así como de la acción de bacterias sobre la materia orgánica.

La otra parte es atribuible al hombre, por las siguientes acciones, entre otras: a) quemar carbón de coque con alto contenido de azufre; b) extraer metales de sulfuros; c) quemar combustibles sin reformar (diesel y combustóleo); y d) fabricar ácido sulfúrico.

Estudios recientes realizados en el D.F., demuestran que el PH⁸ de toda el agua de lluvia es menor que 5.5 (valor menor al de una atmósfera limpia), de ahí que debido a la contaminación, en lugar de agua, sobre nuestra ciudad "llueve ácido".

Los medios químicos son los más eficientes para eliminar el SO₂. Puede quemarse la piedra caliza para obtener óxido de calcio.

CaCo₃  CaO + CO₂

y usarlo para eliminar SO₂, mediante la reacción:

CaO+ SO₂  CaSO₃ sulfito de calcio

El SO₂ tiene un tiempo corto de residencia en la atmósfera. En presencia de oxígeno y de luz se oxida a SO₃:

2SO₂ +O₂  2SO₃

El trióxido también es peligroso, pues reacciona con el agua para dar ácido sulfúrico, sumamente corrosivo,

SO₃ + H₂O  H₂SO₄

Con la lluvia, el SO₂ y el SO₃ son "lavados" de la atmósfera y se vierten sobre ríos y mares en forma de ácidos:

H₂SO₃>y H₂SO₄

Con ello, la acidez aumenta, la vida acuática se daña, se provocan corrosión y deslaves. Con esta "lluvia ácida" se dañan incluso las construcciones, debido a la reacción

H₂SO₄ + CaCO₃ (cal)  CaSO₄ + H₂O