Capítulo 1

La Atmósfera:

Un Sistema del Planeta

Tierra Edbertho Leal-Quirós

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Tabla de Contenido I Objetivos del Curso

Introducción II La Atmósfera

Composición Química Variación de la Presión Atmosférica y Densidad con la Altitud Variación en Tamaño y Presión Propiedades de la Atmósfera Estructura Atmosférica

• Troposfera • Estratosfera • Mesosfera • Termosfera • Ionosfera

III Introducción a la Contaminación Atmosférica

Definición de contaminación atmosférica

IV Contaminación Atmosférica Inducida por los Humanos

Distribución de la masa de la Tierra Concentración de trazas significativas de gases en la atmósfera Absorción de energía solar en la región UV por O2, O3, H2O, CO2 Absorción de energía solar en la región IR por CO2, O3, H2O, CH4 Espectro de acción en los seres vivos Efecto invernadero Efecto de las actividades humanas con los gases de efecto invernadero Las actividades humanas y el cambio del clima global Cantidad del CO2 en los sistemas de la Tierra Cantidad del N2O en los sistemas de la Tierra La química de la estratosfera y su relación con el Ozono ¿Qué tal con el calentamiento global? Protocolo de Montreal Protocolo de Kyoto Consecuencias del calentamiento global Manejo de las emisiones de gases del efecto invernadero

V Resumen de la Agencia para la Protección del Medio Ambiente (EPA)

de la Cantidad Tendencias de Emisiones

Estándares revisados para Ozono y material particulado Comparación de áreas de desarrollo y tendencias de emisiones

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VI Contaminación de Interiores

Introducción a las fuentes de contaminante, efectos toxicológicos a la salud y control de la fuente relacionada a la calidad del aire interior

Fuentes, efectos a la salud, y control de la fuente 1. Radón 2. Humo ambiental del tabaco (ETS) 3. Monóxido de carbono (CO) 4. Dióxido de nitrógeno (NO2) y Dióxido de sulfuro (SO2) 5. Compuestos orgánicos volátiles (VOC’S) 6. Material particulado suspendido (PM-2.5 y PM-10) 7. Formaldehído 8. Plaguicidas 9. Asbestos 10. Plomo (Pb) 11. Microorganismos y otros contaminantes biológicos (Microbial) 12. Clases de enfermedades, agentes y fuentes de infecciones.

VIII Referencias

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I Objetivos del curso Al completar este capítulo, el dominio del conocimiento de los tópicos será demostrado al lograr los objetivos establecidos bajo el título.

1. La Atmósfera: a. Hacer una tabla de las primeras ocho moléculas mas abundantes en la

atmósfera de la tierra incluyendo la formula química, el nombre y la concentración de cada una in (PPM) y también su porcentaje.

b. Hacer una grafica de la variación de la presión atmosférica y la densidad con la altitud.

c. Describir la estructura de la atmósfera de la Tierra y grafique la variación de la temperatura con la altitud incluyendo las zonas.

d. Definir cada una de las zonas atmosféricas y haga una lista de sus propiedades.

2. Contaminación atmosférica

Definir contaminación de aire y contaminación de aire interior. 3. Contaminación atmosférica inducida por los humanos

a. Hacer una lista de los contaminantes principales de la atmósfera que son generados por actividades del ser humano.

b. Hacer una tabla con dos columnas, una con el nombre de las moléculas que son contaminantes de la atmósfera de la Tierra y otra con la masa en kilogramos aproximadamente.

c. Mencionar los gases que contribuyen al efecto invernadero. d. Hacer una lista de la cantidad de billones de toneladas de CO2, N2O

almacenados en cada una de los sistemas de la Tierra: Atmósfera, Océano, Tierra y el flujo anual de un sistema a otro.

e. Describir la química de la estratosfera y su relación con el ozono y especialmente enuncie la reacción química en la formación y destrucción del ozono.

f. Describir las consecuencias del calentamiento global. 4. Resumen de los estándares de calidad de aire y la tendencia de emisiones

a. Explicar los estándares de EPA para el ozono y para el material particulado (PM-2.5 y PM-10).

5. Fuentes de contaminación, efectos a la salud y controles de fuentes de contaminación del aire interior

a. Hacer una lista de las principales fuentes de contaminación del aire interior. b. Describir los mejores controles de las fuentes de los contaminantes del aire

interior. c. Describir los efectos para la salud de los principales contaminantes del aire

interior.

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II La atmósfera Introducción El planeta Tierra esta compuesto de sistemas que interactúan unos con los otros. Si un sistema es adversamente modificado por ejemplo por contaminación debido a fenómenos naturales o por actividades humanas, los otros sistemas podrían sufrir los mismos efectos negativos. Esta sección esta dedicada a la atmósfera, la contaminación del aire y los efectos sobre la salud humana principalmente por la contaminación que también es inducida por los propios humanos. La masa de la atmósfera ~5.3x1018 kg es uno de los sistemas de la Tierra con menos masa, y aun así esta es vital para la vida del ser humano.

La masa del sistema de la Tierra está compuesta por: Tierra ~ 6.0 x 1024 kg Océanos ~ 1.4 x 1021 kg Atmósfera ~ 5.3 x 1018 kg Biosfera ~ 5.6 x 1016 kg Humanos ~ 6.0 x 1011 kg

Una persona saludable puede sobrevivir 15 días sin comida, tres días sin tomar agua, y sólo tres minutos sin respirar. No es sorprendente entonces que en las salas de emergencias de los hospitales la primera atención médica hacia los pacientes sea asegurarse que éstos respiren bien. La primera parte de este capítulo se inicia con una descripción de las propiedades físicas y químicas de la atmósfera, incluyendo también la estructura de la atmósfera. La segunda parte describe una introducción a la contaminación del aire. La tercera parte comprende varios tópicos en los cuales se discute la contaminación inducida por las actividades humanas; por ejemplo, las trazas de gases en la atmósfera, el efecto invernadero, las cantidades de COX, NOX, SOX y otros contaminantes en la atmósfera, las disminución del ozono en la estratosfera y finalmente la relación de todos estos contaminantes y el fenómeno del calentamiento global de la Tierra. La cuarta parte incluye un resumen de la calidad del aire y las tendencias y cambios con el tiempo de las emisiones así como también se revisa los nuevos estándares sobre ozono y materia particulada (PM-2.5 y PM-10) Finalmente, la última parte incluye las fuentes de contaminación, los efectos a la salud humana y los controles de las fuentes de emisión y contaminación de la atmósfera terrestre.

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Composición química La atmósfera contiene una variedad de substancias gaseosas cuyas concentraciones difieren significativamente. Los niveles de concentración de estas substancias fluctúan desde cantidades minúsculas o trazas de gases hasta los altos niveles de nitrógeno (N2 molecular), que comprende 78% de la masa de atmósfera. La composición gaseosa de la atmósfera1, 2 se puede describir en términos de los componentes atmosféricos que han permanecido prácticamente constantes durante milenios y aquello que han varíado durante el curso de tiempo de la experiencia humana.

Componente Fórmula Química Concentración (ppm) Nitrógeno N2 780,840.00 Oxígeno O2 209,460.00 Argón Ar 9,340.00 Neón Ne 18.18 Helio He 5.24 Criptón Kr 1.14 Hidrógeno H2 0.50 Xenón Xe 0.09

Tabla 2.1. Los Componentes atmosféricos a - Concentraciones Constantes 2

Componente Fórmula Química Concentración

(ppm)Vapor de Agua H2O 0.1-30,000.00000 Bióxido de carbono CO2 350.00000 Metano CH4 1.67000 Oxido nitroso N2O 0.30000 Monóxido de carbono CO 0.19000 Ozono O3 0.04000 Amoniaco NH3 0.00400 Bióxido de nitrógeno NO2 0.00100 Bióxido de azufre SO2 0.00100 Oxido nítrico NO 0.00050 Sulfuro de hidrógeno H2S 0.00005

Tabla 2.2. Los Componentes Atmosféricos de Concentraciones Variables

Los gases cuyas concentraciones permanecen constantes incluyen nitrógeno, oxígeno, argón, neón, helio, criptón, hidrógeno y xenón. El nitrógeno es el gas más abundante en la atmósfera. A pesar de su relativa abundancia, el gas ejerce un impacto directo

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poco significativo en cuanto respecta a los procesos atmosféricos mayores o al sustento de formas de vida. El nitrógeno gaseoso es utilizado por las plantas para la producción de moléculas que contienen nitrógeno (incluyendo proteínas, los ácidos nucleicos y la clorofila) que son esenciales, directamente o indirectamente, a todos seres vivos. Las formas de vida dependen de un complejo de procesos biológicos y químicos (el ciclo de nitrógeno) que convierte N2 a NO3

-. Por medio de procesos biológicos y atmosféricos, N2 puede reaccionar con O2, el segundo gas en abundancia en la atmósfera y de concentración constante , para producir substancias conocidas como óxidos de nitrógeno (NOx), que incluyen óxido nítrico, el bióxido de nitrógeno, y el óxido nitroso. Estos compuestos NOx formados por la oxidación de N2, se encuentran en la atmósfera en niveles residuales, y a diferencia de sus precursores (N2 y O2) aparentan variar con el tiempo. Este es especialmente el caso de NO y NO2. Las concentraciones de N2O en la atmósfera habían sido consideradas constantes hasta recientemente cuando se han detectado cambios en estas. Los cambios han ocurrido como resultado del uso creciente de abonos de nitrógeno sintetizados químicamente, los cuales son desnitrificados por bacterias para producir N2 y/o N2O. El oxígeno molecular en la atmósfera comprende casi el 21% de la masa de la atmósfera. Su disponibilidad en grandes concentraciones ha proporcionado la oportunidad para la evolución del metabolismo oxidante, la serie de reacciones bioquímicas de transferencia energética que sustentan todas las formas de vida complejas. Por tanto el oxígeno es vital para casi toda forma viviente. El oxígeno es también significativo porque su presencia evolutiva en la atmósfera durante mil millones de años, ha proporcionado las moléculas precursoras para la formación de la capa de ozono estratosférica, la cual protege la materia orgánica y viviente del poder destructivo de alta-energía de la luz ultravioleta que es incidente en la atmósfera de la tierra. Las concentraciones de ozono en la superficie de la tierra son relativamente bajas (en el orden de 0.02ppm). Pero esto cambia dramáticamente con la altura, alcanzando concentraciones máximas en la estratosfera media. 4

En comparación con N2 y O2, la cantidad del dióxido de carbono en la atmósfera es relativamente baja, comprendiendo sólo cerca de 0.035% ó 350 ppm. A pesar del hecho, el dióxido de carbono es de enorme importancia dado que comprende una de las dos formas principales de materia prima esencial para el proceso de fotosíntesis. El CO2 es la fuente del carbón, elemento indispensable para la vida. El dióxido de carbono es también un importante gas invernadero y debido a su absorbancia térmica juega un papel significativo en mantener un balance favorable del calor global. El vapor de agua es el componente atmosférico cuya concentración varía más, del 0.1 a 30,000ppm. Al Igual que el dióxido de carbono, es también un importante gas invernadero, absorbiendo energía infrarroja e irradiándola de regreso al espacio.

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El vapor del agua es también significativo en la atmósfera porque cambia fácilmente sus fases. Al enfriarse se condensa para formar nubes, que son responsables de la mayor parte del albedo de la tierra (la habilidad de la tierra para irradiar luz solar hacia el espacio). El albedo tiene un enorme efecto en la cantidad de luz solar que alcanza la superficie de la tierra. El Helio, Neón, Kriptón y Xenón son los llamados gases nobles. Estos son inertes y como resultado no aparentan desempeñar efecto o rol alguno en la atmósfera.

Figura 2.1. Variación de ozono con la altura en la atmósfera de la tierra.

A una altura de 40 Km., la concentración de ozono es máxima. La atmósfera contiene también gases de traza producidos por procesos biológicos y/o geológicos. Estos incluyen el amoniaco, el metano, sulfuro de hidrógeno, el monóxido de carbono y el bióxido de azufre. El amoniaco, sulfuro de hidrógeno y metano son producidos principalmente por descomposición biológica. El metano absorbe energía térmica y puede servir como un gas invernadero. Además de los gases ya mencionados en las tablas de Componentes Atmosféricos y descritos arriba, una variedad de otras substancias gaseosas se puede encontrar en la atmósfera. Tales substancias a menudo son liberadas por organismos vivientes. Las plantas liberan cantidades grandes de aceites volátiles tales como isopreno y pireno durante los períodos del crecimiento activo. La presencia de estas substancias en la atmósfera aparenta ser de carácter muy transitorio; por lo tanto, no pueden ser descritos como componentes normales de la atmósfera. 3, 4

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Variación de la Presión Atmosférica y Densidad con la Altitud Las moléculas del aire están en movimiento constante, chocando entre si y otros objetos en su camino. Cuando una molécula choca con otra molécula u objeto, rebota y transfiere el momentum. La fuerza experimentada por el objeto es relacionada a cuán rápido el momentum es transferido al objeto. El momentum transferido es una función de la energía cinética media de las moléculas y es proporcional a la temperatura absoluta. En temperaturas altas, las moléculas tienen más energía cinética y así se mueven más rápidamente. Cuando ellas chocan un objeto, se transfiere más momentum y por lo tanto la fuerza experimentada es más grande. Esta fuerza ejercida en un área de unidad de superficie es llamada la presión. En el sistema internacional de unidades, se mide en Newtons (N) por metro cuadrado y en el sistema inglés se mide en libras por pulgada cuadrada (psi). Un objeto en la superficie de la tierra sostiene una columna vertical de aire que cubre el objeto. Esta columna de aire ejerce una fuerza en el objeto igual a su peso. Esta fuerza de presión atmosférica es mayor a nivel del mar. La presión atmosférica a nivel del mar es igual a 1.013x105 N/m2 (Pa) o 14.7 lb f/in2 (psi). La presión atmosférica se expresa generalmente en milibares, y en milímetros o pulgadas de mercurio (Hg.). A nivel del mar la presión atmosférica es igual a 101 mbar, 760 torr (1 torr=1 mmHg milímetro de mercurio) o 29.92 in Hg (pulgadas de mercurio). La presión atmosférica en una atmósfera isotérmica disminuye con la altitud porque el peso de la columna sobrepuesta disminuye. La disminución en la densidad atmosférica contribuye a esta disminución en la presión. A medida que la elevación aumenta, la concentración de moléculas gaseosas por unidad de volumen de aire disminuye. Esta disminución en la densidad atmosférica así como en la presión, es exponencial. En el poblado mas alto de los Andes, a una elevación de 5.3 km, la densidad del aire y la presión atmosférica disminuyen a la mitad de sus valores al nivel del mar son aproximadamente la mitad de ésos a nivel del mar. El setenta y cinco por ciento de la masa de la atmósfera se puede encontrar en los primeros 10 km de la troposfera; mientras el 99% de la masa atmosférica está por debajo de 33 km. 3

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Figura 2.2. La densidad y la presión atmosférica cambian con la altitud. Si la altura de la escala, H, es constante, la gráfica semi-logarítmica presentará la presión como una línea recta. La curvatura aumenta a través de la variación en temperatura, masa molecular promedio y atracción gravitacional con la altitud. Variación de tamaño y presión El aire ejerce una resistencia imperceptible a nuestras actividades diarias: esto pese a que cuenta con una densidad de alrededor de 1.2 kg/m3. Naturalmente la atmósfera entera tiene una enorme masa, pero aún así es una de las reservas globales menos masivas. Otra característica importante de la atmósfera es su extrema movilidad que facilita el mezclado (Mixing time). La Tabla 2.3 compara la masa y tiempos de mezclado en las capas de la Tierra. La atmósfera aparece en la tabla que se mezcla muy rápido. Esto significa mezclarse dentro de su mismo depósito en vez de intercambiarse con otro depósito. Como ejemplo, una masa de un gas que contiene Radón (Rn), el cual tiene un tiempo de residencia de tan sólo unos pocos días, no mezclará con una fracción grande de la masa atmosférica porque el tiempo vertical de

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mezcla de la atmósfera es mayor de 80 días. De otro lado, el Dióxido de Carbono (CO2), que tiene un tiempo de residencia mucho más larga, se debe mezclar bien. 3

Masa (kg) Tiempo de mezcla (a) Biosfera b 1 4.2x1015 60 Atmósfera 5.2x1018 <0.2 Hidrosfera 2.4x1021 1600 Corteza 2.4x1022 >3x107

Manto 4.0x1024 >108

Centro 1.9x1024

Tabla 2.3. Tamaño y variaciones de mezcla vertical de los depósitos.

En depósitos masivos, la gravedad puede causar grandes variaciones de presión con la profundidad. En la atmósfera, el cambio de la presión es complicado debido a la compresibilidad de los gases. La variación de la presión con la altitud se puede derivar de las leyes de gases, empezando por la ecuación de estado. En una capa muy delgada de gas, la diferencia de presión a través de la capa será: dP = -gρ · dz (2.1) Donde P es la presión, g es la aceleración debido a la gravedad, ρ es la densidad y z es la altitud. El signo negativo es una convención que permite medir las altitudes a partir del nivel del suelo, el cual se le asigna un valor de cero. La densidad de un gas se relaciona a la presión por la ecuación:

P = ρRT/Mm (2.2) Donde R es la constante universal de gas 8.314 (K• mol)-¹], T es la temperatura absoluta y Mm es la media del peso molecular del aire (28.966). Sustituyendo esta ecuación en la ecuación (2.1) obtenemos:

dP/P = - g Mmdz/RT (2.3) Si las medias moleculares del peso y la temperatura se asumen constantes con la altitud entonces la ecuación 2.3 puede ser integrada:

Pz = Po exp (-gMmz/RT)) (2.4) Substituyendo en el exponente H por RT/gMm para obtener la ley barométrica:

b Las plantas, los animales y la materia orgánica se incluyen mientras el carbón y el carbón sedimentario no son incluidos. El tiempo de mezcla del carbón en la materia viva se estima en 50 a.

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Pz = Po exp (-z/H) (2.5) H es la altura de la escala y representa el cambio en la altura requerida para lograr una baja en la presión de 1/e. También se puede considerar como el espesor de la atmósfera entera cuando se estima una densidad uniforme y equivalente a la densidad al nivel del suelo. La forma de la ecuación es semejante si uno está interesado en otras cantidades tales como la variación con la altura del número de moléculas por el volumen de la unidad, n. Los parámetros nz y n0 pueden reemplazar los términos de la presión. La altura de la escala y varias otras propiedades de la atmósfera a nivel del suelo se listan en la tabla siguiente: Propiedades de la atmósfera La altura de la escala y un número de otras propiedades de la atmósfera a nivel de tierra están listados en la siguiente tabla:

Densidad (ρ) 1.225014 kg m-3

Aceleración gravitacional (g) 9.8065 m s-2

Viscosidad cinemática 1.4607x10-5 m2 s-1

“Mean free path” 6.632x10-8 m Peso molecular (Mm) 28.966Numero densidad 2.5476x1019 cm-3

Presión (P) 101325 PaAltura de escala (H) 8434 m

Tabla 2.4. Propiedades de la atmósfera con la densidad a nivel del mar. El perfil de la atmósfera de la Tierra ilustrada en la figura 2.2 muestra cuán rápidamente baja la presión y la densidad con altitud. La disminución aunque exponencial, es suave y monotónica. La curvatura surge por la variación en la temperatura, media de la masa molecular y atracción de gravedad con la altitud. Aunque cada uno de las zonas y capas de la estructura vertical de la atmósfera, como se muestran en la Tabla 2.3 tiene buenos niveles de estructura, esto no siempre es tan obvio como si lo son las estratificaciones de las rocas dentro de la Corteza Terrestre. En los depósitos líquidos, los cambios de la temperatura son características estructurales importantes 4, 5. Estructura Atmosférica La interacción de la radiación con la atmósfera puede llevar a la estructura térmica bastante compleja ilustrada en la figura 2.3. (Estructura vertical de la atmósfera de la Tierra)

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Figura 2.3. Estructura Vertical de la atmósfera de la Tierra

La manera en que los cambios de temperatura con la altura se utilizan para definir varias regiones de la atmósfera, es decir troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera etc. Las fronteras entre estas regiones se llaman tropopausa, estratopausa, mesopausa, etc. Troposfera Es la más cercana a la tierra, contiene todos los gases, en ella se producen todos los cambios climáticos y a medida que se asciende en ella el aire se va enfriando. La Troposfera comienza en la superficie de la tierra y se extiende de 6 a 14.5 km de altura (5 a 9 millas). Esta es la zona de mayor densidad de la atmósfera. A medida que se asciende en altitud en esta capa, la temperatura disminuye de 17°C a -52°C. Casi todo el clima de la tierra ocurre en esta zona. La Tropopausa y la Troposfera se conocen como la baja atmósfera5.

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Estratosfera La Estratosfera comienza justamente sobre la Troposfera y se extiende hasta una altitud de 50 km (31 millas) de altura. Comparada con la Troposfera, esta zona de la atmósfera es más seca y menos densa. Recibe una mayor radiación solar por lo que alcanza una temperatura mayor que los últimos niveles de la troposfera, en ella se ubica la capa de ozono. Existe poco movimiento de las masas de aire por lo que es ideal para el transporte aéreo. La temperatura en esta zona aumenta gradualmente a -3°C, debido a la absorción de radiación ultravioleta. La capa de Ozono, absorbe y dispersa la radiación Ultravioleta en esta zona. El 99% del aire de la atmósfera terrestre esta localizado en la Troposfera y Estratosfera. La Estratopausa separa la Estratosfera de la Mesosfera que es la siguiente zona6.

Figura 2.4: Las capas de la atmósfera.

Mesosfera La Mesosfera comienza justamente sobre la Troposfera y se extiende hasta una altura de 85 kilómetros (53 millas). En esta zona la temperatura desciende hasta alcanzar los -110 °C, en su límite con la capa superior. En esta capa ya no es posible encontrar vapor de agua, mientras que los otros gases disminuyen su concentración. En la mesosfera se producen partículas con carga eléctrica, ya sean átomos o moléculas que ganan o pierden electrones, es decir los componentes químicos están en su estado excitado. También, se pueden observar estrellas fugaces, que se producen por la caída

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de meteoritos, que emiten luz al rozar con la capa. La Mesopausa separa la Mesosfera de la Termosfera. Termosfera La termosfera comienza justo sobre la mesosfera y se extiende hasta 600 km de altitud, (372 millas). La temperatura aumenta a medida que se incrementa la altura debido a la energía del sol. Las temperaturas en esta región pueden alcanzar hasta 1,727°C. Ionosfera Esta zona se caracteriza por la presencia de Plasma. Esta zona se extiende desde 85 km hasta aproximadamente 1,000 km (53 a 600 millas). Se distingue por tener una composición gaseosa variable; las partículas que la forman son ionizadas, como producto de la radiación ultravioleta. Por la presencia de tantas cargas eléctricas, en la ionosfera la temperatura sube considerablemente y puede llegar a los 1,500 °C en su parte más alta. Asimismo, el plasma de la Ionosfera actúa como un espejo y refleja las ondas electromagnéticas y se puedan realizar las transmisiones radiales y las telecomunicaciones. La frontera de la Ionosfera varía con la actividad solar. Aunque esta zona es delgada, sin embargo tienen lugar las Auroras. Además en esta zona, el capo magnético de la tierra atrapa las partículas más energéticas provenientes del sol. A región mas baja de la Termosfera de 130 a 180 km, ha sido muy difícil de estudiar. Satélites no pueden orbitar esta zona, pues pueden caer de la orbita y quemarse con la fricción atmosferica1.

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III Introducción a la contaminación atmosférica Definición de Contaminación Atmosférica La contaminación atmosférica es la presencia de la materia indeseable en el aire, en cantidades suficientemente grandes para producir efectos perjudiciales. Existen tres tipos de contaminación del aire: Contaminación de la alta atmósfera, contaminación del aire exterior y contaminación del aire interior. La contaminación de la alta atmósfera incluye la eliminación del Ozono debido al Cloro, Fluor y Bromo emitidos al aire principalmente por actividades humanas. El Efecto Invernadero debido a la emisión a la atmósfera de gases tales como: COx, NOx, SOx y CH4 entre otros, debido a actividades humanas y también a fenómenos naturales como volcanes, etc. La contaminación del Aire Exterior e Interior se debe en su mayor parte a las actividades humanas. En este tipo de contaminación también se debe considerar además de la contaminación por emisiones de productos Químicos, también la contaminación Física tal como el Ruido y la Radiación. En este texto solo consideraremos la contaminación química. La emisión del contaminante atmosférico es proporcional a la población multiplicada por la actividad económica por persona por emisiones de contaminantes por unidad de actividad económica. No existe un “problema de contaminación”, sino una familia de problemas relacionados. La contaminación atmosférica significa normalmente la contaminación del aire en espacios abierto (ambiente) fuera de nuestras estructuras. La mayoría de las leyes de contaminación del aire se dirigen a reducir la contaminación del medio ambiente externo. La contaminación del aire en espacios confinados, es decir, dentro de nuestras fábricas y lugares de trabajo es regulada por un conjunto enteramente diferente de leyes y la reguladora de salud y seguridad ocupacional OSHA, por sus siglas en ingles, mientras que la Agencia para la Protección Ambiental EPA, regula la contaminación atmosférica del medio ambiente externo. La contaminación interior puede ser causada por diferentes factores: emisiones de fuentes de combustión, o productos que liberan substancias potencialmente perjudiciales, e incluso puede ser producida naturalmente por materiales radioactivos que se encuentran bajo el subsuelo de estructuras, como el Radón. El problema general de la contaminación atmosférica toma la forma siguiente: las emisiones → el transporte, la dilución, y la modificación en la atmósfera → los efectos en personas, en la propiedad, y en el ambiente. Aunque los detalles puedan diferir de contaminante a contaminante, todo sigue este patrón. 8, 16

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IV Contaminación Atmosférica Inducida por Humanos 9, 10

Distribución de la Masa de la Tierra

La masa de la Tierra esta distribuida en cinco sistemas: tierra, océanos, atmósfera, biosfera y humanos.

La Masa del Sistema de la Tierra se compone de:

Tierra ~ 6.0 x 1024 kg Océano ~ 1.4 x 1021 kg Atmósfera ~ 5.3 x 1018 kg Biosfera ~ 5.6 x 1016 kg Humanos ~ 6.0 x 1011 kg

Además, la atmósfera contiene los siguientes gases con masas altamente significativas:

CO2 ~ 1.6 x 1015 kg O3 ~ 8.7 x 1012 kg

N2O ~ 1.5 x 1012 kg

CH4 ~ 5.2 x 1012 kg A pesar de que la masa de los seres vivos es bien pequeña en comparación con el resto de los sistemas de la tierra, debido a las actividades humanas, los humanos han inducido la contaminación a todos los sistemas terrestres. En esta lección serán estudiados solo los efectos en la atmósfera. Sheo Prasad 9 ha hecho un estudio profundo de los efectos de las actividades humanas en el cambio del clima global y otros fenómenos, y utilizaremos su tratamiento.

Concentración de Trazas Significativas de Gases en la Atmósfera La atmósfera esta compuesta mayormente de nitrógeno, oxigeno, argón, neón, helio, hidrógeno y trazas de vapor de agua, metano, y muchas otras trazas. En las siguientes figuras 4.1 y 4.2, podemos observar las variaciones en densidad y temperatura de las trazas según su altitud.

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Figura 4.1. Densidad y temperatura de CFC, CH4, H2O, y N2 vs. Altura. La segunda curva representa la variación de la temperatura de la atmósfera con la altitud. (Figuras son cortesía de Sheo Prasad)9,10

Figura 4.2. Densidad y Temperatura de N2O, O3, CO2, y O2 vs. Altitud. La segunda curva representa la Variación de la Temperatura de la Atmósfera con la Altitud.

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Absorción de Energía Solar en la Región de Ultravioleta (UV) por oxígeno, ozono, vapor de agua y dióxido de carbono Todos estos componentes gaseosos protegen la biosfera de rayos ultravioleta perjudiciales, ya son absorbidos como puede notarse en las figuras a continuación.

Figura 4.3. Absorción de Energía. Los gases traza (O

3, CO

2, CH

4, N

2O) son muy importantes principalmente absorbiendo

y emitiendo la radiación de rayos X, el UV, la luz Visible e Infrarrojo.

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Figura 4.4. Radiación Solar La absorción de radiación ultravioleta por muchas moléculas en la atmósfera con sus longitudes de onda. Absorción de Energía Solar en la Región de Infrarrojo por ozono, vapor de agua, dióxido de carbono y metano La Figura 4.5 muestra la curva de absorción de Infrarrojo por varias moléculas, presentes en la atmósfera terrestre. Espectro de Acción en los Seres Vivos

La Figura 4.6 muestra el espectro de acción sobre los seres vivos (plantas, animales) expuestos a la radiación especialmente en la región de UV. Como podemos observar en la figura, cuando la longitud de onda es menor la respuesta relativa y los efectos perjudiciales son mayores. Debemos tener presente que entre mayor es el tiempo de exposición, más grande es la dosis de radiación absorbida y los efectos perjudiciales aumentan.

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Figura 4.5: Espectro IRIS (Sahara). Absorción de la radiación solar IR por varias moléculas en la atmósfera con su largo de onda.

Figura 4.6. Espectro de Acción en la región UV. Respuesta relativa a la radiación

solar UV por los seres vivos con respecto al largo de onda.

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Efecto Invernadero (Gases de Invernadero) Los gases de invernadero son los gases en la atmósfera que absorben energía infrarroja y contribuyen al aumento de la temperatura del aire. Ciertos gases invernadero en la atmósfera de la Tierra permiten pasar la luz del sol a la superficie de la Tierra, y atrapan (absorben) la radiación infrarroja saliente (onda larga), de la misma manera que un invernadero previene que el calor escape a través de sus paneles de vidrio. Este efecto invernadero es beneficioso a la vida en la Tierra ya que sin este calor, la temperatura promedio de la Tierra estaría cerca de 63°F, (35°C) más frío, y sería mucho menos conveniente para la vida humana. Sin embargo se debe mantener el balance, porque de aumentar demasiado la temperatura, se produce calentamiento global el cual también es perjudicial a la larga pues puede ocasionar el descongelamiento de los polos y algunos Nevados y se produce un cambio en el clima global, lo cual es bastante perjudicial. Las trazas de gases (O3, CO2, CH4 y N2O) sirven como gases de efecto de invernadero y contribuyen a que la tierra sea habitable. La próxima figura 4.7 presenta una visión artística del efecto de invernadero.

Figura 4.7. Representación artística del efecto de invernadero. Los gases invernadero primarios son dióxido de carbono y metano. El vapor del agua exhibe también características de gas de invernadero, y a menudo se clasifica como un

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gas invernadero. Los clorofluorocarbonos y el óxido nitroso son gases invernadero secundarios, aunque algunos científicos creen que los clorofluorocarbonos (CFCs) juegan un papel relativamente significativo. A pesar de su importancia al efecto invernadero, todos los gases invernadero componen menos de 0.04 % de la atmósfera del mundo, el dióxido de carbono ocupa cerca de 0.03 % por ciento. Todos los gases invernadero menos los CFCs ocurren naturalmente en la atmósfera. La cantidad del carbón que pasa por el ciclo natural en los procesos de la biosfera como bióxido de carbono es enorme (cerca de 700 billones de toneladas). Los científicos creen que la estabilidad general del clima a largo plazo indica que las cantidades del dióxido de carbono generado por procesos naturales corresponden a las cantidades absorbidas por estos procesos. El metano es el componente principal de gas natural, y es producido también por muchos procesos biológicos de descomposición. Emisiones de óxido nitroso que ocurren naturalmente vienen de procesos biológicos de la tierra. Las actividades humanas alteran las concentraciones que ocurren naturalmente de los gases invernadero. La quema de combustibles fósiles es la actividad humana que más afecta la concentración del bióxido de carbono. El gas metano es liberado a la atmósfera durante los procesos naturales y de manufactura. Es producto de la industria ganadera, el cultivo de arrozales y la descomposición de desperdicios sólidos. El aumento en óxido nitroso proviene principalmente de los procesos de combustión. CFC’s son compuestos estables, no tóxicos que contienen carbón, cloro, el flúor, y a veces hidrógeno. Ellos han aumentado como resultado de su uso en solventes de agentes de limpieza, refrigerantes, propulsores de aerosol, y en la fabricación de esponjas plásticas. La producción de clorofluorocarbonos se estabiliza en gran parte debido a las disposiciones de 1987 del Protocolo de Montreal sobre control de emisiones de sustancias que agotan la Capa de Ozono. Alguna evidencia actual indica que los efectos del calentamiento global de los clorofluorocarbonos pueden ser menores de los que los científicos pensaron previamente. La controversia actual acerca del calentamiento global es generada por los temores al aumento en las concentraciones de los gases invernadero, especialmente dióxido de carbono. Algunos científicos y los ecologistas creen que estas concentraciones crecientes intensificarán el efecto invernadero, causando que la temperatura promedio de la tierra aumente. Esto produciría resultados terribles, inclusive fracasos de cosecha, aumento en la intensidad de las tormentas, y las inundaciones costeras como resultado del aumento en el nivel del mar. Otros científicos, sin embargo, creen que estos temores se exageran mucho. Estos alegan que las políticas para reducir drásticamente las emisiones de gas invernadero tendrían efectos muy perjudiciales en la economía del mundo. Sin embargo, la mayor parte de los países del mundo ya ratificaron el Protocolo de Kyoto, donde se recomienda reducir la emisión de gases que contribuyen al efecto invernadero sobre todo CO2, y CH4.

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Efecto de las Actividades Humanas con los Gases de Efecto Invernadero El reporte de La Academia Nacional de Ciencias clasifica las predicciones del cambio del clima en tres categorías que reflejan los niveles diferentes de la posibilidad de ocurrencia:

Tabla 4.1. Categorías de cambios de clima y sus predicciones. El informe concluye que cualquiera de estos cambios mencionados variaría significativamente de región a región y sería muy difícil de predecir. “La naturaleza y la magnitud de las condiciones del tiempo y eventos que quizás acompañen el calentamiento de invernadero en cualquier ubicación particular en el futuro son muy inciertas.” 17

Ejemplos de Gases Invernaderos Afectados por Actividades Humanas

Tabla 4.2: Cambios de concentración de CO2, CH4, y N2O debido a las actividades

humanas. ________________ ppmv = partes por millón de volumen; ppbv = partes por billón (109) de volumen. 1 El rango de crecimiento del CO2, CH4, y N2O están promediados comenzando en la década, de 1984.

2 Estimado con datos de 1992-1993. a Ninguna sola vida para CO2O puede ser definida debido a los diferentes índices de respuesta por diversos procesos. b Definido como un tiempo de ajuste que tiene en cuenta los efectos indirectos del metano en su propia vida.

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Las Actividades Humanas y el Cambio Global A pesar de representar una porción minúscula relativo al sistema terrestre, los humanos pueden causar cambios climáticos globales duraderos. Entre ellos:

• Aumento de gases invernaderos (con tiempo de vida atmosférica larga) • Cambio en el ozono estratosférico (que provee una capa protectora de UV sobre la biosfera)

Cantidad de CO2 en los Sistemas de la Tierra

El CO2 es regulado en la biosfera y es sensible a la perturbación causada por humanos.

La cantidad almacenada en: 109 Toneladas 1. La atmósfera 2,300 2. Los océanos 130,000 3. La tierra (en su mayor parte en combustibles fósiles).

40,000

Flujo anual 109 Toneladas por

año 1. De la biosfera a la atmósfera (respiración y descomposición de la materia orgánica)

60

2. De la atmósfera a la biosfera (fotosíntesis) 60 3. Del océano a la atmósfera 100 4. De la atmósfera a océanos 100 5. A la atmósfera desde el interior de la Tierra (los volcanes, las fuentes termales)

0.1

6. En fósiles nuevos dentro de la tierra

<0.1

7. A la atmósfera por la Combustión causada por los humanos

6

8. En la atmósfera proveniente de nuevos cultivos 2

Tabla 4.3: Cantidad de CO2 introducidos en los sistemas de la tierra y sub-sistemas

debido a actividades humanas y también por fenómenos naturales.

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Cantidad de N2O en los sistemas de la Tierra

El N2O atmosférico produce efectos semejantes al CO2

Fuentes estimadas de N2O De Origen Natural *(TgN/ año) Océanos 3.0 (1-5) Suelos tropicales

Bosques húmedos 3.0 (2.2-3.7) Sabanas secas 1.0 (0.5-2.0)

Suelos Templados Bosques 1.0 (0.5-2.3) Prados 1.0

Total de Fuentes Naturales 9.0 Causado por Humanos Suelos cultivados 3.5 (1.8-5.3) Biomasa quemada 0.5 (0.2-1.0) Fuentes Industriales 1.3 (0.7-1.8) Ganado y lotes de alimentación 0.4 (0.2-0.5) Las fuentes totales causadas por los humanos 5.7 * (TgN/año)- Toneladas de gramos de Nitrógeno equivalente por año

Tabla 4.4: Cantidades de N2O introducidos al sistema terrestre y sub-sistemas debido a las actividades humanas y también por fenómenos naturales.

La química de la estratosfera y su relación con el Ozono3, 4

A. La formación y Destrucción de Ozono

(Primera Atmósfera pura y pre-biológica)

O2 + hv (<242nm) 2 O (a) O + O2 + M O3 + M (b) O3 + hv (200-320 nm) O + O2 (c) O3 + O 2O2 (d)

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Donde M es una tercera molécula, que debe estar presente en el encuentro de O y O2 para acarrear parte de la energía liberada en la reacción. hv es el símbolo para un fotón y (200-320 nm) indica el rango de longitud de onda con la cual los fotones pueden inducir la reacción. B. La Destrucción catalítica de Ozono (Pre- y post- tiempos industriales presentes) Ozono es una molécula metaestable; su concentración del equilibrio es extremadamente baja, pero las moléculas aisladas se disocian lentamente. Sin embargo, pueden ser destruidas rápidamente por reacciones catalíticas en cadena. En tales reacciones, el Ozono O3 es convertido en Oxigeno molecular O2 por un portador de cadena, X, que se restaura a si mismo en el proceso. Las reacciones generales son: X + O3 = XO + O2 (e) XO + O = X + O2 (f) Reacción neta: O3 + O 2O2 (d) Hay muchos candidatos posibles para el portador X de cadena, pero se han identificado cuatro especies importantes para la destrucción de ozono estratosférico: el radical hidroxilo (HO•), átomos de cloro (Cl) y bromo (Br), y el óxido nítrico (NO). Clorofluorocarbonos Las fuentes grandes de cloro y bromo estratosféricos han sido creadas inadvertidamente por la fabricación humana de compuestos orgánicos que contienen uno o dos átomos de carbón conectados solamente a flúor, cloro, y/o bromo. Estos son los clorofluorocarbonos, CFCs, y los halógenos que contienen bromo Los clorofluorocarbonos y los halógenos han sido enormemente útiles porque no son tóxicos ni inflamables. Estas propiedades deseadas están directamente relacionadas a la baja reactividad química de esas moléculas en la troposfera. Puesto que ellos carecen de átomos de H, y no contienen los enlaces C-H, los CFCs y los halógenos no están sujetos a la oxidación, ni en una llama ni bioquímicamente. Aún los átomos de hidroxilo son incapaces de atacar estas moléculas, las cuales por lo tanto, escapan del destino troposférico de la mayoría de las especies orgánicas y son destruidos en la estratosfera por la acción de fotones de UV. La absorción de fotones de UV resulta en el rompimiento de los enlaces más débiles en la molécula de C-Br o C-Cl: RX + hv = R• + X• (g) (R- Alkyl)

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Una vez liberados, los átomos de cloro y bromo destruyen el ozono por vía de las reacciones (e) + (f). Medidas del satélite indican que los niveles altos de clorofluorocarbonos alcanzan la estratosfera; arriba su concentración disminuye los sobre 20 km, mientras las concentraciones de HCl y HF aumentan (los últimos productos de la destrucción de clorofluorocarbono). Estas moléculas son formadas por una variedad de mecanismos, principalmente el ataque lento de Cl• ó F• en moléculas de metano, que va subiendo desde la troposfera: Cl• (F•) + CH

4 = HCL (HF) + CH3 • (h)

Oxido nítrico Aunque NO es producido abundantemente por la combustión y descargas eléctricas en las capas mas bajas de la atmósfera, la mayor parte es oxidado a NO2 y convertido al ácido nítrico en la troposfera. El óxido nitroso, N2O, aunque se encuentra en menor cantidad, tiene una reactividad mas baja y eventualmente alcanza la estratosfera. Sobre los 30 km, la mayor parte del N2O es fotolizado por fotones de UV para producir N

2 y átomos excitados de oxígeno:

N2O + hv (UV) = N

2 + *O (i)

Un porcentaje pequeño, 10% o menos, de las moléculas N2O reaccionan con átomos excitados de oxígeno para producir NO:

N

2O + *O 2 NO (j)

Esta es la fuente principal de NO en la estratosfera. El NO puede reaccionar como X en reacciones ozono-destructoras (e) y (f), completando un ciclo a través de NO2 en el proceso. Sin embargo, NO2 reacciona también con otros portadores en cadenas de destrucción de ozono, HO• y ClO•. La reacción con HO• produce ácido nítrico, mientras la reacción con ClO• produce una molécula análoga, el nitrato de cloro:

ClO• + NO

2= ClONO

2 (k)

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El ácido nítrico y el nitrato de cloro no toman parte directamente en la destrucción de ozono, actúan como moléculas de reserva y atrapan las especies HO• y ClO• en las formas menos reactivas, liberándolas en respuesta a la luz UV:

HONO

2 + hv = HO• + NO

2 (l) CLONO

2 + hv = ClO• + NO

2 (m)

Aunque HO• y ClO• continúan disponibles para la destrucción de ozono, al atarse a NO2, reducen su disponibilidad apreciablemente y por lo tanto, reducen la destrucción de ozono. EL NO tiene un efecto dual, por un lado, sirviendo como catalítico de cadena para la destrucción de ozono, pero por el otro lado tiene un efecto inhibidor sobre otros mecanismos en la destrucción de ozono, dependiendo de la altitud. 3, 4

La química de la estratosfera y su relación al ozono

El ozono estratosférico es de origen fotoquímico, pero es regulado por gases de origen antropogénicos.

Figura 4.8 Diagrama esquemático de la química de la estratosfera y su relación con

el ozono.

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Agujero en la capa de ozono

Figura 4.9: Vista del agujero en el ozono en la Antártica. Reacciones mas complejas causan el agujero en la capa de ozono en el tiempo de la primavera en las regiones polares, como puede observarse en la Figura 4.10. La cantidad de ozono es medido en unidades Dobson, (DU).

Figura 4.10: Total de ozono promedio en el mes de marzo que presenta

un incremento durante los pasados 30 años. Los datos para esta figura han sido tomados de las regiones polares, (63o-90o)

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Unidades Dobson (UD): son la forma estándar de expresar cantidad de ozono en la atmósfera. Un UD es 2.69 x 1016 moléculas de ozono por centímetro cuadrado, o 2.69 x 1020/ m2. Una unidad Dobson se refiere a un pedazo de ozono que es 10 micrómetro más delgado bajo temperaturas y presiones estándares. Por ejemplo, 300 unidades Dobson de Ozono que bajan hacia la superficie de la Tierra a 0oC podrán ocupar una capa de solo 3 mm de espesor. Un intervalo normal es de 300 a 500 unidades Dobson, el cual es equivalente a un octavo de pulgada.

Figura 4.11: Tendencia del Cloro Atmosférico

¿Qué tal con el calentamiento global?

Figura 4.12: Crecimiento de emisiones proyectadas de CO2, caso se continúe con el

mismo patrón de uso de productos fósiles; así como la transportación y la generación de electricidad.

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El Protocolo de Montreal es un acuerdo hecho en 1987 por un grupo de naciones para reducir la producción de clorofluorocarbonos (CFCs), por un 50% para el año 2000 para así proteger el la capa de ozono. En 1990 se hizo una enmienda para retirar completamente estas sustancias químicas para el año 2000 en naciones desarrolladas y para el año 2010 en naciones menos desarrolladas.11 La respuesta al agujero en la capa de ozono con el Protocolo de Montreal fue magnífica. El Protocolo de Kyoto, creado en diciembre 1997, es un acuerdo internacional entre las naciones desarrolladas para concertar un freno a las emisiones de gas invernadero.11

Figura 4.13: Las emisiones futuras de CO2 si no hay control ni disminución

en las emisiones de gases invernadero.

Figura 4.14: Cambio en temperatura local en el Antártico y correlaciones con la concentración de CO2 en los pasados 160,000 años.

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Los datos presentados en la Figura 4.14 evidencian que el clima ha cambiado a causa de las emisiones de gases de invernadero. Consecuencias del calentamiento global El calentamiento global tiene el potencial para producir graves consecuencias.

Figura 4.15: Consecuencias del Calentamiento Global, (Tomada de EPA). Manejo de emisiones de gases de invernadero El manejo de las emisiones de gases de invernadero es bastante difícil.

• Tecnologías que sean amigables al clima, comúnmente conocida como “Technology Cooperation” (Tecnologías cooperativas)

• Prácticas que reduzcan las emisiones de gases tipo invernadero e incrementen por ejemplo la secuestración geológica del CO2 y cambios en el manejo forestal).

Ambas afectan energía, la cual es fundamental para nuestra sociedad- potencia eléctrica para nuestros hogares, negocios e industrias. La implementación del Protocolo de Kyoto para controlar la emisión de gases de invernadero, es mucho más difícil que el Protocolo de Montreal.10

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V Resumen de la agencia para la Protección del Medio Ambiente (EPA) de la cantidad de aire y tendencias de emisiones. 12

La EPA evalúa permanentemente dos clases de tendencias: las concentraciones de aire basadas en medidas actuales de concentraciones de contaminante en el aire del ambiente (afuera) en sitios escogidos a través del país, y las emisiones basadas en las estimaciones de ingeniería del tonelaje total de estos contaminantes liberados en el aire anualmente. Además, empezando en 1994, bajo el Programa Lluvia Acida, la EPA comenzó a rastrear las emisiones de SO2 y NOx basados en datos de monitoreo continuo de emisiones obtenidos de las industrias generadoras de energía eléctrica. Generalmente hay similitudes entre tendencias de calidad de aire y tendencias de emisión para cualquier contaminante dado. Sin embargo, a veces, hay diferencias notables entre el por ciento de cambio en concentraciones del ambiente y el por ciento de cambio en emisiones. Estas diferencias pueden ser atribuidas principalmente a la ubicación de los monitores de calidad de aire. Dado que la mayoría de los monitores se posicionan en o cerca de áreas urbanas, las tendencias en la calidad del aire suelen rastrear más de cerca los cambios en emisiones urbanas más bien que los cambios en emisiones nacionales totales. Cada año la EPA recopila y analiza los datos de la concentración de la calidad del aire de miles de estaciones monitoras alrededor del país. Las estaciones de monitoreo son operadas por agencias gubernamentales estatales, tribales, locales y federales, incluyendo la EPA. Las tendencias son derivadas promediando las medidas directas de estos sitios anualmente. Durante los últimos 10 años (a través de 1988 y 1997), la calidad del aire ha continuado mejorando. Estándares revisados para ozono y material particulado12

En 1997, la EPA revisó los estándares nacionales de la calidad de aire del ozono (O3) y del material particulado (PM). Antes de esta fecha, el estándar PM aplicaba a partículas menor o igual que 10 micrómetros en el tamaño, o PM-10. Con los estándares revisados, la EPA reforzó la protección contra partículas más pequeñas agregando un indicador para PM-2.5, (Partículas cuyo tamaño es menor o igual que 2.5 micrómetros). La EPA estima las tendencias de emisiones por todo el país basadas en lecturas actuales monitoreadas o cálculos de ingeniería de las cantidades y tipos de contaminantes emitidos por automóviles, fábricas, y por otras fuentes. Las tendencias de la emisión se basan en muchos factores, incluyendo el nivel de la actividad industrial, el desarrollo tecnológico, el consumo del combustible, millaje recorrido por vehículos, y otras actividades que causan la contaminación atmosférica. Las tendencias de emisiones reflejan también los cambios en las regulaciones de contaminación atmosférica y la instalación de controles de emisión más eficientes.

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% Disminución en Concentraciones(1988-1997)

% de Disminución en Emisiones(1988-1997)

Sulfatos 38 >25

Pb 67 44

NO2 14 1(NOx)

O319 (pre existente NAAQS) 16 (Revisado NAAQS) 20(VOC)

PM-10 26 12

SO2 39 12

PM-2.5 DATOS AUN NO ESTAN DISPONIBLES Tabla 5.1: La tabla muestra la disminución de concentración y también la disminución

de las emisiones de los contaminantes. Durante los últimos 10 años, las emisiones de los seis contaminantes atmosféricos principales han disminuido. Comparación de áreas de desarrollo y tendencias de emisiones12

Entre 1970 y 1997, la población de Estados Unidos aumentó en un 31 por ciento, (A finales del 2006, la población es de 300 millones), las millas de vehículo viajadas aumentaron en un 127 por ciento, y el producto interno bruto aumentó en un 114 por ciento. Al mismo tiempo, las emisiones totales de los seis contaminantes atmosféricos principales disminuyeron por un 31 por ciento.

Figura 5.1: Comparación de áreas de desarrollo y tendencias de emisiones12

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Figura 5.2: Comparación de emisiones de varios contaminantes en 1970 y en 1997. Todas las emisiones de los mayores contaminantes han ido decreciendo La mejoría dramática en las emisiones y calidad de aire ocurrieron a la par con aumentos significativos en el crecimiento económico y poblacional. Las mejoras son el resultado de la implementación efectiva de leyes y regulaciones de aire limpio, así como el uso de tecnologías industriales más eficientes. A pesar del gran progreso en la mejora de la calidad de aire, para el 1997 había todavía aproximadamente 107 millones de personas a nivel nacional que vivían en condados con niveles de calidad de aire en violación de los estándares nacionales y primarios de calidad de aire (Figura 5.3). 12

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Figura 5.3: Esta figura representa el numero de personas expuestas a concentraciones en el aire sobre los niveles de NAAQS en el 1997. Las barras azules representan los estándares revisados para el ozono y Material Particulado, (PM-10 y PM-2.5).

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VI Contaminación de interiores Hay muchas fuentes de Contaminación del medio ambiente interior. Esta sección es una referencia a contaminantes químicos en el interior, así como sus efectos a la salud humana y el control de las fuentes que originan esta contaminación. Las fuentes del contaminante, efectos toxicológicos a la salud, y el control en la fuente Radón (Rn): Fuentes: Sub-suelo, materiales de construcción, y el agua subterránea. Efectos a la salud: No se observan síntomas inmediatos. Se estima que contribuye a la muerte de entre 7,000 y 30,000 casos de cáncer de pulmón cada año. Los fumadores tienen un alto riesgo de padecer del cáncer de pulmón inducido por el Radón. Control en la fuente:

• Realice pruebas de nivel de Radón en su hogar. • Tome medidas correctivas si el nivel de Radón en su hogar es de 4 picocuries por litro (pCI/L) o más. • Los niveles de radón menores de 4 pCi/L representan un riesgo, y en muchos casos es aconsejable su reducción.

Humo ambiental de tabaco (ETS): Fuentes: Cigarrillo, puros y pipas. Efectos a la salud: Irritación de ojos, nariz y de garganta; dolores de cabeza; cáncer de pulmón; puede contribuir a enfermedades cardíacas. Aumenta el riesgo de bronquitis, pulmonía, e infecciones de oído particularmente en los niños; acumulación del líquido en el oído; aumento en la severidad y la frecuencia de episodios de asma; disminución de la función pulmonar.

Control en la fuente: • No fume en su hogar ni permita a otros hacerlo. • No fume si hay niños presentes, especialmente infantes. • Aumentar la ventilación en áreas donde se fuma. Abra ventanas o utilice

ventiladores.

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Monóxido de carbono (CO): Fuentes: Calentadores que usan kerosén y no tienen ventiladores; escapes de gases de chimeneas y hornos, calentadores de gas, estufas y chimeneas que queman madera. Emisiones de automóvil en garajes conectados. Humo ambiental de tabaco. Efectos a la salud: En concentraciones bajas, fatiga en personas sanas y dolor en el pecho en personas con enfermedad cardiaca. En concentraciones más altas, daña la visión y afecta la coordinación; dolores de cabeza; mareo; confusión; náusea. Puede causar síntomas de gripe temporeros. Fatal en concentraciones muy altas. El Control en la fuente:

• Mantener aparatos de gas ajustados apropiadamente. • Considerar comprar calentadores con ventiladores. • Utilizar el combustible apropiado para calentadoras de queroseno. • Instalar y utilizar un ventilador de escape externo para las cocinas de gas. • Abrir el conducto de escape de humo, al utilizar chimeneas. • Utilizar estufas que usan madera de un tamaño apropiado, certificadas por los estándares de emisión de la EPA. • Inspeccionar, limpiar y calibrar los sistemas de calefacción central por un profesional anualmente. Reparar cualquier escape inmediatamente. • No encender el automóvil en un garaje cerrado.

Dióxido de Nitrógeno (NO2) y el Dióxido de Azufre (SO2): Fuentes NO2: Calentadoras de Kerosen, cocinas de gas no ventiladas. Humo ambiental de tabaco. Efectos a la salud: Irritación de ojos, nariz y de garganta. Puede causar impedimento en la función de los pulmones incrementar infecciones respiratorias en niños. Fuentes SO2: Equipo de Microfilm, limpiadores de ventana, limpiadores ácidos para tuberías, productos de combustión, el humo de tabaco, el equipo de imprenta heliográfica. Efectos a la Salud NO2 y SO2 : Irritación de los ojos, tracto respiratorio, garganta y membrana mucosa. Agravación de enfermedades respiratorias crónicas. Puede dañar funciones pulmonares y causar infecciones respiratorias en niños y jóvenes.

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El control en la fuente: Los pasos para reducir la exposición son iguales que los de monóxido de carbono. Estos pasos para la reducción de exposición son igualmente utilizados para aquellos de monóxido de carbono. Compuestos orgánicos volátiles (VOCs) Fuentes de (VOC): Los productos caseros incluyendo: pinturas, removedores de pintura, y otros solventes; preservativos para la madera; aerosoles; limpiadores y desinfectantes; repelentes de polilla; los combustibles almacenados y los productos para el mantenimiento del automóvil. Efectos a la Salud: Irritación de ojos, nariz, e irritación de garganta; dolores de cabeza, la pérdida de coordinación, náusea; daño al hígado, al riñón, y al sistema nervioso central. Algunos compuestos orgánicos causan cáncer en animales y seres humanos, mientras otros se consideran posibles cancero génicos. El control en la fuente:

• Seguir las indicaciones del fabricante al utilizar estos productos. • Utilizar estos productos en áreas ventiladas. • Disponer de los contenedores vacíos de forma segura y apropiada; comprar los productos en cantidades apropiadas para su uso inmediato. • Mantener fuera del alcance de niños y animales. • Nunca mezclar los productos de la casa a menos que se indique en la etiqueta.

Material Particulado (PM-2.5, PM-10) Fuentes de Emisiones de Material Particulado (PM) Se define como una mezcla de partículas sólidas y líquidas suspendidas en el aire. Este material se caracteriza de acuerdo a su tamaño. Algunas partículas son lo suficientemente largas, grandes y oscuras para ser vistas como hollín o humo. Otras partículas son tan pequeñas que pueden ser detectadas sólo con un microscopio de electrones. Estas partículas que vienen en un distintos tamaños (partículas “finas” de 2.5 micrómetros en diámetro ó más pequeñas y las partículas “gruesas” de 10 micrómetros en diámetro y mayores de 2.5 micrómetros), originadas de diferentes fuentes móviles o estacionarias como también de fuerzas naturales. Las partículas finas (PM 2.5) que resultan de la combustión del combustible de vehículos de motor, generación de energía y facilidades industriales, así también chimeneas residenciales y de hornos de madera. Las partículas gruesas (MP-10) son generalmente emitidas de fuentes, tales como vehículos que transitan en carreteras no pavimentadas, manejo de

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materiales, operaciones de moler y pulverizar, así también como polvo fugitivo. Algunas partículas son emitidas directamente desde sus fuentes, tales como chimeneas y carros. En otros casos, gases como el Dióxido de Azufre SO2, NOx y VOC interactúa con otros compuestos en el aire para formar partículas finas. Sus composiciones químicas y físicas varían dependiendo de la localidad, tiempo del año y el clima. Efectos a la salud El material particulado que puede ser inhalado incluye partículas finas y gruesas. Estas partículas pueden acumularse en el sistema respiratorio y están asociados con numerosos efectos a la salud. La exposición a partículas gruesas es primordialmente asociada con la gravedad de condiciones respiratorias, tales como el asma. Las partículas finas están mas asociadas con los efectos de salud que incrementan las admisiones a los hospitales y salas de emergencias por enfermedades del corazón y pulmones, incrementan los síntomas y enfermedades respiratorias, ajando las funciones pulmonares, y hasta la muerte prematura. Las partículas PM-10 pueden afectar los tejidos superiores del sistema respiratorio, mientras que PM-2.5 pueden afectar los pulmones y pueden estar alojadas en los alvéolos y los tejidos pulmonares. Como las partículas más pequeñas son más o menos el tamaño de las células, la PM-2.5 puede causar más daño al sistema respiratorio. Los grupos sensitivos que están en mayor riesgo incluyen las personas de edad avanzada, individuos con enfermedades cardiopulmonares, como asma, y los niños. PM es la causa mayor de la reducción de visibilidad en muchas partes de los Estados Unidos. Las partículas que están en el aire pueden causar danos a pinturas y materiales de construcción. El Control de la fuente:

• Ventilar las descargas de hornos al exterior; mantener las puertas abiertas cuando se utilizan calentadores sin ventilación • Escoger estufas que usan madera de tamaño apropiado, cumplir con estándares de emisión de EPA. • Utilizar estufas que usan madera de un tamaño apropiado, certificadas por los estándares de emisión de la EPA. • Inspeccionar, limpiar y calibrar los sistemas de calefacción central por un profesional anualmente. Reparar cualquier escape inmediatamente. • Cambiar y limpiar filtros en sistemas centrales de calefacción y refrigeración según las especificaciones del fabricante.

Estándar revisado para material particulado SS (PM2.5 & PM10) El 18 de Julio de 1997 se promulgaron nuevos estándares para MP 2.5 programadas a 15 microgramos por metro cúbico (μGA) y 65μg/m3, respectivamente, para los estándares anuales y de 24 horas. Además, la forma del estándar de 24 horas para PM10 fue cambiado. EPA esta comenzando a recopilar data en concentraciones de PM2.5.

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Comenzando en el 2002, basados en tres años de monitorear los datos, EPA puede diseñar áreas no-logradas que no conocen los nuevos estándares PM2.5. Tendencias en niveles de PM10: Entre 1988 y 1997, las concentraciones de PM10 disminuyeron en un 26 por ciento. Las tendencias a corto plazo entre 1996 y 1997 mostraron una disminución del 1 por ciento en niveles monitoreados de la concentración de PM10. Las emisiones de PM10 mostrado en la gráfica se basan en estimaciones de emisiones antropogénicas incluyendo fuentes de combustible, los procesos industriales, y las fuentes de transportación, que justifican sólo el 6 % del total de emisiones PM10 para todo el país. Entre 1988 y 1997, las emisiones PM-10 para estas fuentes disminuyeron en un 12 por ciento. Las emisiones de PM-10 entre 1996 y 1997 disminuyeron en un 1 por ciento. Las estimaciones de emisiones presentadas no incluyen las emisiones de fuentes naturales y misceláneas, tal como polvo fugitivo (carreteras sin pavimentar), la erosión de viento, incendios descontrolados, y fuegos controlados. Estas estimaciones de emisiones no tienen en cuenta los PM10 que son formados secundariamente en la atmósfera por contaminantes gaseosos (SO2 y NOx). Formaldehído Fuentes del formaldehído: Productos de madera prensada (madera, paneles, paredes, etc.) y muebles hechos con productos de madera prensada, espuma aislante de Urea-formaldehído. (UFFI). Las fuentes de combustión y el humo ambiental del tabaco. Cortinas, adornos duraderos, otros textiles y pegas. Efectos a la salud: Irritación de ojos, nariz y garganta; jadeo y tos; fatiga, picazón en la piel y reacciones alérgicas severas. Puede causar cáncer. También puede causar otros efectos enumerados bajo VOC’s Control de la fuente:

• El uso de "exterior-grade" productos de madera comprimida (emite menos formaldehído pues contiene resinas de fenol, no resinas de urea). • Utilizar acondicionadores, ventiladores y deshumidificadores de aire para reducir los niveles de humedad y mantener una temperatura moderada. • Aumentar la ventilación, especialmente después de traer nuevas fuentes de formaldehído al hogar.

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Pesticidas Fuentes de pesticidas: Son productos usados para matar plagas caseras (insecticidas y desinfectantes). También productos usados en la tierra o los jardines que se filtran y llegan a las casas. Efectos a la Salud: Irritación en los ojos, nariz y garganta; daño al sistema central nervios e hígado; incrementa el riesgo de cáncer. Control de la fuente:

• Utilizar estrictamente según las direcciones del fabricante. • Mezclar o diluir en las afueras de su hogar. • Aplicar sólo en cantidades recomendadas. • Aumente la ventilación cuando se use dentro de un lugar. • Saque las plantas o las mascotas afuera cuando se le aplique plaguicidas a estos. • Utilizar métodos no químicos de control de plagas en donde sea posible. • Si usa una compañía de control de plagas, selecciónela cuidadosamente. • No guarde dentro del hogar los plaguicidas que no necesita, dispóngalos de forma segura. • Guarde la ropa con repelentes contra polilla en áreas ventiladas separadas, si es posible. • Mantenga los interiores limpios, secos y bien ventilados para evitar plaguicidas y problemas de olores.

Asbestos Fuentes de Asbestos: Aislantes y otros materiales como loza de piso, compuestos de paredes y plásticos reforzados. Efectos a la Salud: Los asbestos no son una fuente que produzca efectos agudos a la salud. De todos modos, durante las operaciones de renovación o mantenimiento, el asbesto puede ser sacado y se convierte en material aerotransportado como particulado. No hay síntomas inmediatos, pero hay riesgos a largo plazo de cáncer de las vías respiratorias, abdomen y enfermedades pulmonares. Los fumadores son los de mayor riesgo en desarrollar cáncer del pulmón provocados por el asbesto.

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Control de la fuente: • Es mejor dejar los materiales de asbestos que no están dañados solos si éstos no

van a ser alterados. • Utilizar personal entrenado y cualificado para el control de medidas que va a

alterar los asbestos y para la limpieza. • Llevar a cabo procedimientos apropiados en el reemplazo de las puertas de los

hornos que pueden tener asbestos. Plomo (Pb) Fuentes: Pintura a base de plomo, suelo contaminado, polvo, y agua potable. Efectos a la Salud: El plomo afecta prácticamente a todos los sistemas del cuerpo. El plomo a altos niveles (los niveles de plomo a o sobre 80 microgramos por decilitro (80 ug/dl de sangre) puede causar convulsiones, coma, y aun la muerte. Los bajos niveles de plomo pueden causar efectos adversos a la salud en el sistema nervioso central, hígado y células sanguíneas. Los niveles de plomo en la sangre tan bajos como 10 ug/dl pueden perjudicar el desarrollo mental y físico. Control de la fuente:

• Mantenga las áreas donde los niños juegan libres de polvo y lo más limpio posible. • Deje la pintura con base de plomo sin tocarse si esta en buena condición. No la entierre en arena o queme la pintura que pueda contener plomo. • No renueva por usted mismo la pintura con plomo. • No lleve dentro de su casa polvo de plomo. • Si usted trabaja o tiene un pasatiempo que se relaciones con el plomo, cámbiese la ropa y use las alfombras de piso antes de entrar a su hogar. • Coma una dieta balanceada, rica en hierro y calcio.

Microorganismos y otros contaminantes biológicos Fuentes Contaminantes Biológicos (microbianos): Sistemas de aire manuales, aires acondicionados, materiales dañados por el agua, áreas cerradas con una alta humedad, paredes o techos mojados o humedecidos, alfombras, materiales orgánicos y superficies porosas mojada, humidificadores con pobre mantenimiento, sistemas de agua caliente, excavaciones exteriores, plantas, excreta animal, animales e insectos y productos de comida.

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Efectos a la Salud: Reacciones alérgicas tales como enfermedades hipersensibles (neumonitis hipersensibles, rinitis alérgica, etc.) e infecciones tales como legionnaires pueden apreciarse. Los síntomas pueden incluir escalofríos, fiebre, dolor muscular, pecho apretado, dolor de cabeza, tos, dolor de garganta, diarrea y nausea.

Control en la fuente:

• Instalar y usar abanicos para ventilar los exteriores, en las cocinas y los baños. • Ventilar y secar la ropa en los exteriores. • Limpiar los humificadores de acuerdo con las instrucciones del manufacturero y llenar con agua limpia diariamente. • Vaciar frecuentemente las trazas de agua de los aires acondicionados, deshumificadores y neveras. • Limpiar y secar o remover alfombras dañadas por el agua. • Utilizar el sótano como áreas para vivir si es a prueba de agua o tiene ventilación adecuada. Utilizar deshumificadores, de ser necesario, para mantener la humedad entre un 30% a un 50%.

Clases de enfermedades, agentes y fuentes de infecciones Las enfermedades infecciosas se pueden clasificar en tres grupos: las enfermedades contagiosas, las enfermedades ambientales virulentas, y las infecciones oportunistas. Las enfermedades contagiosas son transmitidas de una persona a otra y son causadas por virus y bacterias. Las infecciones virulentas y oportunistas de fuente ambiental resultan de la exposición a aerosoles producidos de depósitos ambientales. Los ejemplos de enfermedades dentro de cada una de estas categorías se presentan en la Tabla 6.1.

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Tipo de enfermedad

Agente Enfermedad Fuentes

Enfermedades Contagiosas

Virus de Influenza

Virus de sarampión

Mycobacterium tuberculosis

Influenza

sarampión

tuberculosis

Personas infectadas

Personas infectadas

Personas infectadas

Enfermedades Ambientales Virulentas

Histoplasma capsulatum Coccidioides immitis Legionella pneumophila

histoplasmosis

coccidioidomycosis

Fiebre de Pontiac

Tierra mojada enriquecida con excremento de pájaro

Tierra Seca (desiertos)

Sistemas para Calentamiento de agua, torres de enfriamiento “cooling towers”, etc.

Infecciones ambientales oportunistas

Legionella pneumophila Mycobacterium avivum Cryptococcus neoformans Asperigillus fumigatus

Enfermedad Legionnaires

Tuberculosis atípica.

Cryptococcosis.

Aspergillosis.

Calentamiento de agua, torres de enfriamiento “cooling towers”.

Depósitos naturales de agua.

Excremento seco de pájaro

Planta de Auto Calefacción basada en material orgánica

Tabla 6.1: Clases de enfermedades, agentes y fuentes de infecciones

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VII Referencias

1. Earth’s Atmosphere 1/20/2004 http://liftoff.msfc.nasa.gov/academy/space/atmosphere.html2. National Oceanic and Atmospheric Administration 1976. U.S. Standard Atmosphere. NOAAS/T 76-1562 3. Chemistry of the Environment / Second edition Thomas G. Spiro; William M. Stigliani 2003 Prentice-Hall Inc. 4. Atmospheric Data and Resources/ Atmospheric Structure http://www.oralchelation.com/clarks/data/pl .htm 1/20/2004 5. Structure of the Earth’s Atmosphere 1/20/2004 http://www.ux1.eiu.edu/~cfjps/1400/atoms_struct.html6. The Earth’s Atmosphere http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/earth/atmosphere.html 1/23/2004 7. Meteorology Today: An Introduction to Weather, Climate, and the Environment C. Donald Ahrens; 5th edition; 1994 Copyright by West Publishing Company 8. Air Pollution Control Engineering Second edition. Noel de Nevers; 1995 Copyright Mc Graw Hill, Inc. 9. Sheo Prasad “Human Activities and Global Change” Presented at PUPR on October 3, 2002 10. Sheo Prasad Private Communications 11. Environmental Science: The way the world works Seventh edition. Bernard J. Nebel. Richard T. Wright 2000 by Prentice-Hall Inc. 12. US EPA 1997 Summary Report/ Summary of Air Quality and Emissions Trends http://www.epa.gov/air/aqtrnd97/brochure/summ.html 3/1/2004 13. “The inside story: A guide to indoor air quality” US EPA Indoor Air Publications, EPA Document # 402-k-93-007, April 1995 http://www.epa.gov/iaq/pubs/insidest.html 1/27/2004 14. Indoor Air Quality Investigation/Chapter 6/OSHA Institution November 13, 1990 CPL 2-2.20B CH-1 15. Environmental Science; Creating a Sustainable Future Sixth edition; Daniel D. Chiras/ 2001 by Jones and Bartlett Publishers, Inc. 16. Ecosystem Change and Public Health a Global Perspective Edited by Joan L. Aron and Jonathan A. Patz; 2001 the Johns Hopkins University Press Baltimore and London

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