ATMOSFERA

QUIMICA DE LA ATMOSFERA

Unidad I

Atmósfera: Capa gaseosa que rodea al planetaTierra, se divide teóricamente en varias capasconcéntricas sucesivas.

Capas desde la superficie hacia el espacio exterior:

• La atmósfera es uno de los componentes másimportantes del clima terrestre.

• Es el presupuesto energético de ella la queprimordialmente determina el estado delclima global, por ello es esencial comprendersu composición y estructura (GCCIP, 1997).

• Los gases que la constituyen están bienmezclados en la atmósfera, pero no esfísicamente uniforme pues tiene variacionessignificativas en temperatura y presión enrelación con la altura sobre el nivel del mar(GCCIP, 1997).

• La tropósfera o baja atmósfera, es la que está eníntimo contacto con la superficie terrestre y seextiende hasta los 11 km.s.n.m. en promedio(Miller, 1991).

• Tiene un grosor que varía desde 8 km en los poloshasta 16 km en el Ecuador, principalmente debidoa la diferencia de presupuesto energético en esoslugares.

Estratosfera

• Incluye el 75% de la masa de gases totales quecomponen la atmósfera.

• el 99% de la masa de la atmósfera se encuentrabajo los 30 km.s.n.m. (GCCIP, 1997; Miller, 1991).

• El 99% lo comprenden dos gases, Nitrógeno (N2,78%) y Oxígeno (O2, 21%).

• El 1% que resta consta principalmente de Argón(Ar, aproximadamente 1%) y dióxido de carbono(0,035%).

Estratosfera

• La temperatura disminuye con la altura, enpromedio, 6,5° C por kilómetro.

• La mayoría de los fenómenos que involucran elclima ocurren en esta capa de la atmósfera(Kaufmann, 1968), en parte sustentado porprocesos convectivos que son establecidos porcalentamiento de gases superficiales, que seexpanden y ascienden a niveles más altos de latropósfera donde nuevamente se enfrían (GCCIP,1997).

• Esta capa incluye además los fenómenosbiológicos

Fotólisis: Es una reacción química producida por la radiación UV del sol, produciendo una rupturahomolítica de un enlace químico. Ej. La fotolisis del H2O para producir oxígeno O2 en la fotosíntesis.

Fotosíntesis: es un proceso en que reacción sistemas biológicos (plantas, algas y algunas bacterias)tiene la capacidad de utilizar la energía electromagnética del sol para producir carbono orgánico delos carbohidratos, oxígeno y agua. (Anaya, 2003)

CO2 + 2H2O CHO + H2O + O2

Concentración química del aire

Reacciones de gases en la atmósferaEl Nitrógeno (N2), actualmente de conoce que se puede fijar transformar detres formas:

1. A través de algunas algas y bacterias del suelo convirtiéndolo encompuestos orgánicos de nitrógeno (aminoácidos). Otras bacterias alcombinarse con las raíces de ciertas leguminosas, también pueden fijar elN2.

2. En combinación con el O2 para formar NO3, mediante los rayos, quema debosques y combustibles fósiles, que luego ingresa al suelo disuelto en lalluvia.

3. Las bacterias fijadoras de nitrógeno y los procesos industriales humanosconvierten y ciertas bacterias fijadoras de N2 en NH3 (amoniaco) y NO3.

Una vez que el N2 ingresa a nuestro medio este es absorbido por las plantas ypor otros productores y se incorporan en las moléculas biológicas, que pasana los niveles tróficos. Se liberan los NO3 s y el NH3 por la excreción, por lasbacterias descomponedoras o por las actividades de los alimentadores ydescomponedores de detritos. Otras bacterias se encargan de convertir estasmoléculas en N2 y completan el ciclo. (Monge, 2002)

Nitrógeno 78%

Reacciones de gases en la atmósfera

El Oxígeno (O2) en la atmósfera fue originalmentellevado a ella por las plantas primitivas que hicieronposible la evolución de las más desarrolladas y delos animales que requieren O2 libre para sumetabolismo.

El origen de la vida y su posterior evolución fuecondicionado por el desarrollo de sistemas capacesde protegerla, o de procurarle defensas químicas,contra el oxígeno molecular normal (O2), ozono (O3)y oxígeno atómico (O).

Reacciones de gases en la atmósfera

Parte del O2 se convierte en O3, que permite que ciertaslongitudes de onda sean eliminadas de la radiación quellega a la superficie de la tierra.El O2 se combina con una amplia gama de otroselementos de la corteza terrestre, resultado una profundainteracción en la evolución de la biosfera, la atmósfera, lahidrosfera y la litosfera.El O2 proveniente del aire (21%), se origina en ladescomposición de las moléculas de agua abajo la acciónde la energía lumínica en la fotosíntesis, el cual se reciclaaproximadamente cada 2000 años (tasas normales)(Gass, 2002).

Ciclo del oxígeno

Reacciones de gases en la atmósfera

El dióxido de carbono CO2 se origina de diversosprocesos:

• Combustión u oxidación de materiales que contienencarbono (carbón, madera, aceites, algunos alimentos),

• Fermentación de azúcares.

• Descomposición de los carbonatos bajo la acción delcalor o los ácidos.

El CO2 es utilizado por las plantas verdes en el procesoconocido como fotosíntesis, por el cual se fabrican loscarbohidratos, grasas y proteínas. El resto es devuelto ala atmósfera o al agua mediante respiración.

Los organismos herbívoros que comen las plantas, de esemodo utilizan, reorganizan y degradan los compuestos decarbono, gran parte se libra mediante la respiración yexcretas y otra parte se almacena en sus tejidos.

Luego los carnívoros se alimentan de los herbívoros,degradando todos los compuestos de carbono pordescomposición y el carbono es liberado en forma de CO2

que es utilizado de nuevo por las plantas.

Por otro lado, el carbono atmosférico pasa por difusión através de la interface aire-agua. En ecosistemas acuáticosel exceso de carbono puede combinarse con el agua paraformar carbonatos y bicarbonatos, estos a su vez puedenprecipitar y depositarse en los sedimentos del fondo.Parte de del carbono se incorpora a la biomasa (materiaviva) de la vegetación forestal y puede permanecer fuerade circulación durante cientos de años. (Kramer, 2003)

CICLO DEL DIOXIDO DE CARBONO (CO2)

• La energía solar recibida por la Tierra debeestar en balance con la radiación emitidadesde la superficie terrestre, o sea, debehaber un equilibrio energético.

• Cualquier factor que genere un cambiosostenido entre la cantidad de energía queentra al sistema (en este caso la Tierra y suatmósfera) y la energía que salen del sistema,puede generar un cambio climático.

• Como son factores que no son partícipes directosdel sistema climático, se les conoce como“forzante climático”, un factor que obliga oempuja al clima a un nuevo estado.

Las causas se dividen en dos categorías generales:

• Causas naturales: Incluyen actividad volcánica ocambios en la energía recibida desde el Sol, entreotros.

• Causas antrópicas (generadas por actividadeshumanas): Incluye la quema de combustiblesfósiles, tala de bosques, entre otros.

CALENTAMIENTO GLOBAL

• La actividad humana desde la RevoluciónIndustrial ha influido principalmente sobre laemisión de CO2 y otros gases de invernaderoque han ayudado a aumentar el efectoinvernadero natural.

• Varios componentes atmosféricos, tales comoel vapor de agua, el dióxido de carbono,tienen frecuencias moleculares vibratorias enel rango espectral de la radiación emitidadesde la superficie terrestre, o sea, absorbenbien el calor emitido por la Tierra.

• Estos gases de efecto invernadero absorben yreemiten la radiación en onda larga,devolviéndola a la superficie terrestre y causandoel aumento de temperatura, fenómenodenominado Efecto de Invernadero.

• Uno de los resultados del Efecto Invernadero, esmantener una concentración de vapor de agua enla baja troposfera mucho más alta que la quesería posible en las bajas temperaturas queexistirían sin este fenómeno.

Muestras atmosféricas extraídas de núcleos de hielo y las mediciones directas másrecientes, que entregan datos concisos de que el CO2 ha aumentado desde larevolución industrial (Fuente NOAA, gráfico original de www.nasa.gov):

Tabla de Gases de Efecto Invernadero

Gas Invernadero Concentración

1750

Concentración

2012

Fuerza

Irradiativa(W/m2)

Dióxido de Carbono 280 ppm 392,6 ppm 1,85

Metano 700 ppb 1874 ppb 0,51

Oxido Nitroso (N2O) 270 ppb 324 ppb 0,18

CFC-11 0 238 ppt 0,060

CFC-12 0 531 ppt 0,17

HCFC-22 0 226 ppt 0,041

Ozono Troposférico 25 ppb 34ppb0,35

Ozono Estratosférico Sin datos

Evidencias de un cambio climáticoAumento del nivel del mar.

17 centímetros en el siglo XX. El aumento del nivel del mar en la última década escasi el doble del siglo pasado.

Aumento de la temperatura global

La Tierra se ha calentado desde 1880.

La mayor parte de este calentamiento ha sucedido desde 1970, con los 20 añosmás calurosos desde 1981 y los diez más calientes en los 12 últimos años.

Aunque los años del 2000 (2007 y 2009) han sido afectados por un declive en laemisión de calor solar, las temperaturas de la Tierra continúan su aumento.

Los océanos se calientan

Los 700 metros superiores de los océanos muestran un aumento de 0.302 gradosFahrenheit desde 1969.

Las placas de hielo disminuyen

Las placas de Groenlandia y la Antártida ha disminuido en masa.

Hielos del Ártico disminuyen

La extensión y grosor del hielo ártico ha disminuido rápidamente en las últimasdécadas.

Retroceso de glaciares

Los glaciares en todo el mundo están retrocediendo, incluyendo los Alpes,Himalayas, Andes, Alaska, África y otros lugares.

Eventos meteorológicos extremos

La cantidad de eventos de temperaturas extremas de calor en los EE.UU. hanaumentado, mientras que los eventos de extremo frío han disminuido desde1950.

Acidificación de los Océanos Desde el inicio de la Revolución Industrial laacidez de las aguas superficiales de los océanos ha aumentado en un 30%. Es elresultado de la absorción del CO2 atmosférico que ha aumentado por lasemisiones humanas.

Evidencias de un cambio climático

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

15 Kg aire/día

Contaminantes

Material Particulado (aerosoles)

• Solidos: polvo, hollín, cenizas

• Líquidos: gotas de agua

Material Químico

• Primarios: CO, CO2, SOx, NOx, COV

• Secundarios: O3

Contaminantes

Material Particulado(aerosoles)

• Solidos: polvo, hollín, cenizas

• Líquidos: gotas de agua

Polvo

Partículas sólidasque flotan en la

atmósfera

proceden del sueloy se dispersan

por el movimientodel aire

(viento)

Humo

No se comprime, ni seacumula, ni se depositaen cualquier superficie.

Se desprende de lacombustión incompleta ygeneralmente estáformada de vapor deagua y ácido carbónico.

Vapor de agua

No se pueden ver las gotasdiminutas, pero si se notanen la cara.

Una acumulación de esasgotitas puede formar unanube tan espesa que nadiepuede ver nada a través deella.

Contaminantes

Material Químico

• Primarios: CO, CO2, SOx, NOx, COV

• Secundarios: O3,

Contaminación atmosférica

• Los gases se dispersanfácilmente en el espacio.

• Están formados pormoléculas en movimiento:gas butano, metano,acetileno, freones (CFCs),etc.

•Ocupan el espacio(recipiente) uniformemente.

• Se comprimen.

Principales contaminantes

• Óxidos de carbono, de azufre, de nitrógeno

• COV: compuestos orgánicos volátiles– metano

– benceno

– formaldehído

– clorofluorocarbonos

• materia suspendida y partículas: polvo, hollín, polen, asbesto, sales de nitrato y sulfato, plaguicidas

investigar

Principales contaminantes

• oxidantes fotoquímicos: ozono, peroxiacilonitratos, peróxido de hidrógeno, hidroxilos y aldehídos.

• sustancias radioactivas

• ruido

• calor

• visual

visual

FOTOQUÍMICA

NO: Monóxido de nitrógenoNO2: Dióxido de nitrógenoVOC(en inglés): Compuestos orgánicos volátilesO3: Ozono

Comportamiento en concentración de los gases de efectonocivo para la atmósfera en relación al tiempo.

Fotoquímica

Lluvia ácidaEs la lluvia que contiene disueltos ácidos en concentracionesperjudiciales para los seres vivos, como consecuencia de laactividad antropogénica. Se considera que un pH de agua lluviuade alrededor de 5,3 es considerada de carácter ácida. Los gasescomúnmente disueltos son CO2, SO2 y NO y NO2 importantecomo consecuencia de una acción.

Reacciones en la atmósfera:3NO2 (g) + H2O (l) → 2HNO3 (ac) + NO(g)

SO2 + OH-1 → HOSO2

HOSO2-1 + O2 → H2O + SO3

SO3 (g) + H2O (l) → H2SO4 (ac)

ACTIVOO RADICAL

Destrucción de la capa de ozono por CFC`s(Clorofluorocarbonos)

Fuentes

• http://www.guiaestudiantil.cl/naturaleza/atmofera.html

• http://cambioclimaticoglobal.com/atmosfe1

AGUA DISPONIBLE DE TODA EL AGUA EN LA TIERRA

Contaminación Natural

Origen geológico:• Presencia de metales en

tóxicos en agua.• Precipitación ácida por

emisiones volcánicas.

Origen biológico:• Presencia de toxinas

producidas por algas.• Emisiones volcánicas.

Contaminación Antrópogénica

Biológica:• Aguas residuales y

alcantarillado sanitario.• Letrinas y fecalismo al aire

libre.• Desechos de establos y rastros.

Química:• Descargas de aguas residuales

industriales.• Aguas grises o domesticas.• Residuos de agroquímicos.• Residuos de productos

farmacéuticos y de belleza.

Calidad del agua

Condición naturalTemperaturaTransparenciaAcidezAlcalinidadDurezaMetales

Condición alteradaTemperaturaAcidezSólidosNutrientesContaminantes orgánicos• Plaguicidas• EmergentesDetergentesAceites y grasas Bacterias

Presencia de Calcio en el agua

Necesario para la nutrición y fortalecimiento de huesos y dientes.

Inconvenientes:

• Incrustaciones en sistemas de conducción.

• Asociación entre aguas duras con la nefrolitiasis (Cálculos renales).

Dureza del agua

La dureza en el agua se debe a la presencia de de los cationes metalicos divalentes (Ca2+, Mg2, Sr2+, Fe2+, Mn2+, Ba2+).

Estos cationes se combinan con aniones como sulfato (S04

2- ), Cloruro (Cl- ), Nitrato (N031- ),

Silicato (Si032- ) y bicarbonato (HC03

1- ).

El calcio y magnesio son más abundantes.

Fuentes principales de agua para consumo

https://water.usgs.gov/gotita/earthgw.html

Agua superficial

Agua subterránea

Clasificación de los contaminantes

Contaminantes orgánicos

Contaminantes físicos, biológicos y químicos

Efectos de contaminación biológica

Incidencia de la contaminación del agua

Comunidad(Municipalidades)

Distribución

Saneamiento

Agua para uso doméstico

ContaminantesExcretas

Detergentes

Bacterias patógenas:

ቐ𝐴𝑚𝑒𝑏𝑎𝑠

𝐵𝑎𝑐𝑡. 𝐸𝑛𝑡𝑜𝑟𝑜𝑝𝑎𝑡𝑜𝑔𝑒𝑛𝑎𝑠𝑉𝑖𝑟𝑢𝑠

Llegan a los ecosistemas

acuáticos

• América sólo hay el 14% de la población mundial, mientras que disponen del 41% de los recursos hídricos.

• Asia se encuentra el 60% de la población mundial y dispone de un 36% de los recursos hídricos.

• Europa y África Un 13% de la población mundial, y disponen con cifras similares en cuanto a los recursos hídricos (8% y 11%, respectivamente).

• Oceanía se concentra un 5% de los recursos hídricos mundiales y su población no llega al 1% del total global.

Escasez física y/o económica del agua

Fuente: www.un.org/spanish/waterforlifedecade/scarcity.shtml

• Los nutrientes están dentro los parámetros que se evalúan la calidad del agua.

• Nitratos, Nitritos, fosfatos, Sulfatos, cloruros entre otros.

• Alteran la calidad hídrica de ecosistemas.

• La producción primaria es la mas afectada.

• Existen otros parámetros importantes para estimar la calidad del agua.

Nutrientes en el agua y su efecto en el ambiente