METEOROLOGIA DE LA CONTAMINACIN DEL AIRE

METEOROLOGIA DE LA CONTAMINACIN DEL AIRE

Dr. Arturo Figueroa Montao. Departamento de Fsica. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenieras. Universidad de Guadalajara.

10/09/2008

COMPOSICIN Y ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMSFERA

La atmsfera consiste en una capa delgada de gases mezclados que cubren la superficie de la tierra, ms del 99% de la masa total de la atmsfera se encuentra dentro aproximadamente de 30 km de la superficie de la tierra. La masa total de la atmsfera es de aproximadamente 5.14 x 1015 toneladas mtricas. La composicin de la atmosfera ha venido cambiando de manera gradual a lo largo del tiempo, debido principalmente a los procesos naturales que ocurren en la tierra, as como a los muchos procesos antropognicos introducidos por la especie humana. Entre los procesos naturales se encuentran algunos procesos biolgicos como la respiracin de lo animales, incluyendo los humanos que remueven oxgeno de la atmsfera y en turno producen dixido de carbono (CO2). El proceso fotosinttico de las plantas usa el CO2 para producir oxgeno, de esta manera regresando el O2 a la atmsfera. Otros procesos naturales incluyen los eventos geolgicos como las erupciones volcnicas, que no nicamente inyectan cantidades masivas de partculas a la atmsfera, sino tambin grandes cantidades de CO2 y vapor de agua. Mientras que gran parte de la composicin atmosfrica es mantenida mediante estos procesos naturales, la interaccin de las actividades humanas con la atmosfera tiene de igual manera implicaciones profundas sobre la composicin atmosfrica y como consecuencia sobre la calidad y continuidad de la vida sobre la tierra.Para hablar de la composicin de la atmosfera es necesario idealizar una parcela de aire seco y limpio, y en estos trminos se nos facilita el hablar de componentes gaseosos permanentes y variables. De esa manera el primer trmino se refiere a que la concentracin de gases es virtualmente constante cerca de la superficie de la tierra y hasta una altitud promedio de 80 km. Tal como se muestra en la tabla 1, el gas nitrgeno es el ms abundante ocupando el 78% de la concentracin en volumen, el segundo mas abundante es el oxigeno con el 21% del volumen. As, juntos el oxgeno y nitrgeno constituyen el 99% del aire que respiramos. El tercer gas mas abundante es el argn, con una concentracin un poco menos del 1%.Tabla 1. Gases permanentes cerca de la superficie de la tierra. (Stanley, 2007)Gas

Composicin qumicaPorcentaje(por volumen de aire seco)

NitrogenoN278.08

OxigenoO220.95

ArgnAr0.93

NenNe0.0018

HelioHe0.0005

HidrogenoH20.00005

XennXe0.000009

De manera distinta a los gases permanentes, en la atmosfera tambin ocurren otras numerosas sustancias de concentracin variable las cuales se resumen en la tabla 2. Con excepcin del vapor de agua, cada una de estas sustancia variables existen en a atmsfera en concentraciones mucho menores al 1% en volumen, por lo que su concentracin generalmente se refiere en partes por milln (ppm) o partes por billn (ppb) por volumen. Adems estas sustancias variables no nicamente incluye gases, sino tambin materia particulada; con ello quedando claro que el aire que respiramos no es simplemente un compuesto de molculas aisladas, sino que es una mezcla compleja de gases, lquidos y slidos.Tabla2. Sustancias variables de la atmosfera cerca de la superficie de la tierra. (Stanley, 2007)SustanciaComposicin qumica Porcentaje(por volumen de aire seco)ppm(partes por milln)

Vapor de aguaH2O0 - 4-------

CO2CO20.035350

MetanoCH40.000171.7

Oxido nitrosoN2O0.000030.3

OzonoO30.0000040.04

Materia particulada-------0.0000010.01

Flouroclorocarbonos (CFCs)-------0.000000010.0001

La tabla 2 muestra que la sustancia ms variable en la atmosfera es el vapor de agua con una concentracin en volumen de 0-4 %. La mayora de esta entra a la atmsfera va evaporacin y transpiracin. La primera ocurre cuando una molcula de cualquier superficie de agua gana suficiente energa cintica (a menudo por la radiacin solar) para romper el enlace que mantiene a las molculas juntas, y de esta forma escapar a la atmosfera como una molcula aislada de vapor de agua. Por otro lado la transpiracin ocurre por las diferencias de presin que existen en el interior de las clulas de las hojas de las plantas y el vapor de agua de la atmosfera. Durante el da los poros (estomata) de las hojas de las plantas se abren como respuesta a la luz solar y por la diferencia de presin del vapor de agua entre el interior de la hoja y la atmosfera, el vapor de agua viaja de zonas de alta presin a las de baja presin, aportando as humedad a la atmosfera. El contenido de agua en la atmosfera se expresa como humedad relativa (RH) usualmente expresado como porcentaje. Comparando las concentraciones del resto de las sustancias variables parecieran ser no tan importantes, aunque algunos de ellos como los CFCs han mostrado pequeos incrementos pero de consecuencias importantes para la vida en el planeta. Como ejemplo los profesionales de la calidad del aire han reconocido que esa fraccin tan pequea de CFCs esta causando daos a la atmosfera, lo que consecuentemente tendr efectos a largo plazo sobre la vida en el planeta, al ser el causante de la destruccin del ozono estratosfrico. Hasta este punto hemos revisado la constitucin de la atmosfera en trminos generales, nombrando y caracterizando algunas de las varias sustancias que la conforman. Sin embargo, la atmosfera no es simplemente un gran reservorio que principalmente almacena las sustancias descritas. Sino que mas bien la podemos ver como un baso de precipitado de un laboratorio, lleno con mucho diferentes reactivos qumicos. Unas pocas de estas sustancias que son cruciales al problema de la calidad del aire son los aerosoles y los contaminantes.

Los aerosoles se refieren a partculas lquidas (a excepcin del vapor de agua y hielo) y slidas que estn suspendidas en el aire, tales como; polen, polvo y smog. Por otro lado los contaminantes se refieren a cualquier sustancia (lquida, solida, o gas) que tienen el potencial de producir efectos adversos a la salud humana y otros animales, dao a la vida de las plantas, o causan dao a estructuras fsicas.

LA IMPORTANCIA DE LA ATMSFERA: La atmsfera es una capa protectora que hace posible la vida en la tierra y la protege del ambiente hostil del espacio exterior. Es la fuente de dixido de carbono para la fotosntesis de las plantas y de oxgeno para la respiracin. Proporciona el nitrgeno que las bacterias fijadoras y las plantas productoras de amoniaco emplean para producir el nitrgeno en lazado qumicamente, que es un componente esencial de las molculas de los seres vivos. La atmosfera es tambin una parte bsica del ciclo hidrolgico, transporta el agua de los ocanos a la tierra, actuando as como condensador en un inmensa destilera alimentada por la energa solar.En su papel principal como escudo protector, la atmsfera absorbe la mayora de los rayos csmicos del especio exterior, y protege los organismos de sus efectos. Tambin absorbe la mayora de la radiacin electromagntica del sol, permitiendo la transmisin de cantidades significantes de radiacin solo en las regiones de 300-2500 nm (radiacin del ultravioleta cercano, del visible y del infrarrojo cercano) y de 0.01-40 m (ondas de radio). Adems la atmosfera reabsorbe mucha de la radiacin infrarroja que es re-emitida la espacio, estabilizando as la temperatura de la tierra, impidiendo la temperaturas extremas que ocurren en planetas y lunas que carecen de atmosferas sustanciales.ESTRATIFICACIN DE LA ATMSFERA: La atmsfera se estratifica de acuerdo con la relacin temperatura - densidad como resultado de las interacciones entre los procesos fsicos y fotoqumicos en el aire (Figura 1).

La capa mas baja de la atmsfera que se extiende desde el nivel del mar hasta una latitud de 10-16 km es la TROPOSFERA, caracterizada por una composicin generalmente homognea de los gases permanentes y donde la temperatura decrece con la altitud. La magnitud de la disminucin de la temperatura para el aire seco con altitud creciente se conoce como la velocidad de lapso adiabtico que tiene un valor de 9.8 K km-1. Sin embargo como la atmosfera contiene vapor de agua que se condensa segn la masa de aire sube, liberando calor de vaporizacin y disminuyendo la velocidad del lapso hasta un promedio de aproximadamente 6.5 K km-1.

Figura 1. Las capas en la atmsfera. (Ritter, 2006)En el lmite superior de la troposfera (tropopausa) ocurre una temperatura mnima de aproximadamente -56C, esta pudiendo variar en altitud hasta en un km o mas, dependiendo de la temperatura atmosfrica de la superficie terrestre subyacente, de la latitud y de la meteorologa. La composicin mas o menos homognea en esta capa se debe a la mezcla constante de las masas de aire por las corrientes de conveccin impelidas por la situacin inestable con el aire ms frio encima del aire ms clido. Por el contrario el contenido de vapor de agua en la troposfera es sumamente variable debido a la formacin de las nubes, la precipitacin y la evaporacin de agua de los sistemas acuosos terrestres. Las bajas temperaturas registradas en la tropopausa sirven como barrera para que el vapor de agua no escape al condensarlo en hielo. Si alcanzara altitudes mayores este se fotodisociara por accin de la intensa radiacin ultravioleta de alta energa, por lo que el hidrgeno producido escapara de la atmosfera terrestre y se perdera. Gran parte de los gases hidrgeno y helio presentes en la atmsfera de la tierra se pierden por este proceso.ESTRATSFERA: Capa que esta directamente encima de la troposfera. Aqu la temperatura crece con la latitud hasta un mximo de aproximadamente -2C, lo que produce poco mezclado vertical debido a la presencia del ozono, que puede alcanzar un nivel de alrededor de 10 ppm en volumen en la zona media de la estratosfera (Figura 1). El efecto de calentamiento es causado por la absorcin de energa de la radiacin ultravioleta por el ozono.

MESOSFERA: En esta capa el comportamiento de la temperatura es inverso, principalmente debido a la ausencia de especies absorbentes de radiacin. La temperatura ms baja puede alcanzar valores promedio de hasta -92C a una latitud de alrededor de 85 km (Figura 1). Las regiones ms altas de la mesosfera, definen una regin llamada exosfera donde predominantemente dominan iones y molculas que fcilmente pueden escapar de la atmsfera.TERMOSFERA: Se extiende hasta los lmites exteriores lejanos de la atmosfera, aproximadamente 500 km. La temperatura en este nivel se incrementa con la altitud hasta llegar a los 1200 C. Este incremento se debe a que la absorcin de las intensas radiaciones solares se encuentra limitada por unas pequeas cantidades de oxgeno, siendo los principales componentes atmosfricos el nitrgeno y el oxgeno. A estas altitudes extremas las molculas de gas se encuentran ampliamente separadas, haciendo la densidad del aire muy baja.PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGA Y MASA EN LA ATMOSFERA: Las caractersticas fsicas y qumicas de la atmsfera y el balance de calor de la tierra, estn determinados por los procesos de transferencia de energa y masa.La energa solar entrante est mayoritariamente en la regin visible del espectro (Figura 2). La luz solar azul de longitud de onda mas corta es dispersada con relativa intensidad por las molculas y partculas en la atmsfera superior, lo cual explica porque el cielo es azul segn se ve por la luz dispersa y parece rojo por la luz transmitida, particularmente alrededor del ocaso y la salida del sol y cuando la atmosfera contiene un nivel alto de partculas.

Figura 2. Regiones del espectro visible de la luz. (Ritter, 2006)El flujo de energa solar que llega a la atmsfera es de 1.34 x 103 W por metro cuadrado (constante solar). De esta radiacin, cerca de la mitad alcanza la superficie de la tierra directamente o despus de ser dispersada por las nubes, los gases atmosfricos o las partculas. La segunda mitad restante, se refleja directamente hacia atrs o es absorbida en la atmsfera y su energa se irradia al especio posteriormente como radiacin infrarroja (Figura 3).

La energa que alcanza la superficie terrestre es absorbida y retornada al especio para mantener el balance de calor. El transporte de energa, que es crucial para la eventual re-irradiacin de energa desde la tierra se efecta por tres mecanismos principales: La conduccin, la conveccin y la radiacin.

Figura 3.- El balance de energa en la atmsfera (Ritter, 2006).CONDUCCIN:La conduccin de energa ocurre a travs de la interaccin de tomos o molculas adyacentes, sin que se mueva el cuerpo material, y es un medio relativamente lento de transferir energa a la atmsfera.

CONVECCIN: La conveccin involucra el movimiento de masas enteras de aire que pueden estar relativamente calientes o fras. Es el mecanismo por el cual ocurren las variaciones abruptas de temperatura cuando se mueven grandes masas de aire a travs de una regin. As mientras que hay conduccin de calor sensible, debido a la energa cintica de las molculas, la conveccin lleva calor latente en forma de vapor de agua que libera calor cuando se condensa. Una fraccin apreciable del calor de la superficie de la tierra se trasporta a la nubes en la atmsfera por conduccin y conveccin, antes de perderse finalmente por radiacin.RADIACIN: La radiacin de energa en la atmsfera de la tierra ocurre a travs de la radiacin electromagntica. Siendo esta la nica manera en que se transmite energa a travs de un vacio, por consiguiente es el medio por el que toda la energa que debe perderse del planeta para mantener su balance de calor, regrese finalmente al espacio en forma de radiacin infrarroja. De esta manera, la tierra pierde energa por radiacin electromagntica de una longitud de onda mucho mayor, que la radiacin por la que recibe la energa, un factor crucial en el mantenimiento del balance de calor de la tierra y susceptible de ser perturbado por las actividades humanas.

TRANSFERENCIA DE MASA: La ciencia que se encarga del estudio de la transferencia de masa en la atmosfera es la meteorologa, ciencia de los fenmenos atmosfricos que abarca el estudio del movimiento de las masas de aire, as como las fuerzas fsicas en la atmosfera: calor, viento y transiciones de fase del agua, principalmente de lquido a vapor o viceversa. Desde el punto de vista de la contaminacin del aire resulta crucial la comprensin de los procesos de transferencia de masa en la atmsfera, pues los fenmenos meteorolgicos determinan si los contaminantes emitidos por una fuente puntual, se elevan en la atmosfera, o se dispersan o depositan cerca de la fuente donde puede causar el mximo dao.INVERSIONES TERMICAS Y CONTAMINACIN DEL AIRE: El movimiento complicado del aire a travs de la superficie de la tierra es un factor crucial en la creacin y la dispersin de los fenmenos de contaminacin atmosfrica. Cuando el movimiento del aire cesa puede ocurrir un estancamiento, con el resultante aumento de los contaminantes en regiones localizadas. Aunque la temperatura del aire relativamente cerca de la superficie de la tierra normalmente disminuye con el aumento de la altitud, ciertas condiciones atmosfricas pueden producir la condicin opuesta, esto es temperatura creciente con aumento de la altitud (Figura 4a). Tales condiciones se caracterizan por una alta estabilidad atmosfrica y se conocen como inversiones de temperatura. Debido a que limitan la circulacin vertical del aire, las inversiones de temperatura producen un estancamiento del aire, encerrando a los contaminantes atmosfricos en reas localizadas.Figura 4. Perfil de temperatura mostrando una inversin trmica (a), y la consecuente acumulacin de contaminantes atmosfricos (b). (Figueroa, 2005).Las inversiones pueden ocurrir de varias maneras, como cuando una masa de aire clido pasa por encima de otra de aire frio. Las inversiones de radiacin se forman con mayor frecuencia en la tranquila atmosfera nocturna, cuando la tierra ya no recibe la radiacin solar. El aire mas cercano a la tierra se enfra ms rpidamente que el aire que est ms arriba en la atmsfera, que permanece clido y por lo tanto menos denso (figura 4 b). Las inversiones de subsidencia, a menudo acompaadas por las inversiones de radiacin, pueden formarse en la vecindad de un rea de alta presin superficial, cuando el aire de los niveles altos desciende para tomar el lugar del aire de la superficie que sopla hacia afuera de la zona de alta presin. El aire que desciende se calienta a medida que va comprimindose y puede permanecer como capa clida varios cientos de metros sobre el nivel del terreno. La inversin marina se produce durante los meses de verano, cuando el aire fresco cargado con humedad del ocano sopla hacia la costa y bajo el aire clido y seco de tierra adentro. LA ISLA DE CALOR: El microclima en reas locales y cerca de la superficie de la tierra es a menudo muy diferente del clima global. Un efecto particularmente marcado en el microclima es el inducido por la urbanizacin. En un escenario rural, la vegetacin y los sistemas acuosos tienen un efecto moderador, absorbiendo cantidades importantes de energa solar y liberndolas lentamente. La piedra, el hormign y el pavimento de asfalto de las ciudades tiene el efecto opuesto, absorben fuertemente la energa solar y re-irradian el calor al microclima urbano. Adems de lo anterior, las actividades humanas generan cantidades importantes de calor y producen cantidades importantes de CO2 y otros gases invernadero que retienen el calor. El resultado neto de estos efectos es que la ciudad est rodeada por una cpula de calor en que la temperatura es hasta 5C mayor que en las reas rurales circundantes Figura 5.

Figura 4. La isla de calor caracterstica en la zona urbana. (Arnfield, 2003)El aire clido ascendente encima de una ciudad trae brisa del rea circundante y causa un efecto invernadero local que probablemente es contrabalanceado en gran parte por la reflexin de la energa solar entrante, gracias a la presencia de la materia particulada que est sobre las ciudades. En conjunto comparando con las condiciones climticas en los ambientes rurales cercanos, el microclima de la ciudad es ms caluroso, ms brumoso y cubierto con ms capas de nubes durante un porcentaje mayor del tiempo y est sujeto a ms precipitaciones, aunque generalmente es menos hmedo. BIBLIOGRAFIAArnfield A.J. Review. (2003). Two decades on urban climate research: a review of turbulence, exchanges of energy and water, and the urban heat island. International Journal of Climatology. Vol 23, 1-26 pp.

Figueroa M.A. (2005). Investigacin de los patrones meteorolgico-climticos y los patrones de contaminacin atmosfrica de la zona metropolitana de Guadalajara. Tesis Doctorado en Ciencia de la Tierra. Departamento de Fsica, Universidad de Guadalajara. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenieras. 172 pp.Ritter M.E. (2006). The Physical Environment: an Introduction to Physical Geography. Recurso en lnea http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/title_page.html. Agosto 18, 2008.Stanley E.M. (2007). Introduccin a la qumica ambiental. Revert ediciones, Mxico. 725 pp.

Warner W. (2006). Contaminacin del aire: origen y control. LIMUSA, Mxico. 650 pp.Boubel R.W., Fox D.L., Turner D.B., and Stern A.C. (1994). Fundamental of air pollution. Academic Press, United Kingdom. 574 pp.

Davis M.L., Cornwell D.A. (2008). Introduction to environmental engineering. McGraw Hill, New York. 1008 pp.