Con este artículo daremos inicio a una serie de post relacionados con la importancia de la química en el estudio de la contaminación atmosférica.

Nos dedicaremos a exponer de forma clara y detallada los conceptos básicos para el estudio de la contaminación atmosférica, las causas y fuentes de la contaminación, las consecuencias y las medidas de control.

En otros artículos hemos abordado las definiciones básicas de la química y examinado las propiedades de gases, líquidos y sólidos.

Lo mismo hemos hecho con los enlaces químicos y las fuerzas intermoleculares, y hemos explicado cómo la cinética química y el equilibrio químico ayudan a entender la naturaleza de las reacciones químicas.

Entonces en esta serie de artículos aplicamos estos conocimientos al estudio de un sistema muy importante: la atmósfera.

Aunque la composición de la atmósfera de la Tierra es bastante simple, su química es muy compleja y no se ha entendido del todo.

La química y su importancia en el estudio de la contaminación atmosférica

Los procesos químicos que se llevan a cabo en nuestra atmósfera son inducidos por la radiación solar, pero están ligados de muchas maneras a los fenómenos naturales y a las actividades humanas en la superficie del planeta.

En este sentido, la ciencia atmosférica moderna es un campo que combina la meteorología, la física, las matemáticas, la química, ciencias de la computación y, en menor medida, geología, biología, microbiología, y las ciencias oceanográficas.

Hasta finales de los años cuarenta, los estudios científicos de la atmósfera se limitaban principalmente a los estudios del tiempo.

En ese momento, la preocupación por la contaminación atmosférica provocó un aumento en los estudios de la química atmosférica.

La atmósfera terrestre

Debemos destacar que la Tierra es única entre los planetas de nuestro sistema solar porque tiene una atmósfera químicamente activa y rica en oxígeno.

Es por ello que la atmósfera es esencial para la vida por lo que sus alteraciones tienen una gran repercusión en el hombre y los seres vivos y, en general en todo el planeta.

En otras palabras una atmósfera contaminada afecta la salud de personas y perjudica la vida de plantas y animales.

Capas de la atmósfera

La atmósfera se divide en varias capas de acuerdo con su composición y variación de temperatura como podemos ver en la figura 1.

Fuente: Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby Química undécima edición,

Troposfera

Hasta donde se manifiestan los fenómenos visibles, la región más activa es la troposfera, la capa de la atmósfera que contiene alrededor de 80% de la masa total del aire y casi todo el vapor de agua de la atmósfera.

Por otro lado, la troposfera es la capa más delgada de la atmósfera (10 km), pero ahí se llevan a cabo todos los fenómenos que influyen en el clima, como la lluvia, las tormentas eléctricas o los huracanes.

Estratosfera

Se encuentra sobre la troposfera y está compuesta por nitrógeno, oxígeno y ozono. En esta región la temperatura del aire aumenta con la altitud.

Este efecto de calentamiento se debe a las reacciones exotérmicas provocadas por la radiación UV del Sol.

El ozono ($O_{3}$) es uno de los productos de esta secuencia de reacciones que sirve para prevenir que los nocivos rayos UV lleguen a la superficie de la Tierra.

Mesosfera

Está sobre la estratosfera, la concentración de ozono y otros gases es baja y la temperatura disminuye a medida que aumenta la altitud.

Termosfera

Finalmente la termosfera o ionosfera es la capa más externa de la atmósfera.

Además el aumento de temperatura en esta región se debe al bombardeo de nitrógeno y oxígeno moleculares y de especies atómicas por partículas energéticas, como los electrones y protones, provenientes del Sol.

¿Qué es un contaminante del aire?

Podemos definirlo como cualquier sustancia presente en el aire que, por su naturaleza, es capaz de modificar los constituyentes naturales de la atmósfera, pudiendo alterar sus propiedades físicas o químicas, y cuya concentración y período de permanencia pueden originar efectos nocivos sobre la salud de las personas y el ambiente.

Contaminación atmosférica

Definimos la contaminación del aire como la presencia de material indeseable en ese aire, en cantidades bastantes grandes como para producir efectos nocivos.

Además decimos que una condición atmosférica, en la que existen sustancias con concentraciones más altas que el fondo normal o que los niveles del ambiente (tabla 1), está contaminada si tiene efectos que se puedan medir sobre los humanos, animales, flora o materiales .

Tabla 1 Composición del aire seco a nivel del mar.

Sustancia	Concentración (ppm)
Nitrógeno	780840
Oxígeno	209460
Argón	9340
Dióxido de Carbono	315
Neón	18
Helio	5.2
Metano	1.0-1.5
Criptón	1.1
Óxido Nitroso	0.5
Hidrógeno	0.5
Xenón	0.08

Causas de la Contaminación 

Hoy en día la contaminación ambiental puede ser producto de una actividad propia de la naturaleza (contaminación ambiental) en la que los seres humanos no participan, y no pueden controlar, tal como las emisiones volcánicas.

Pero también puede ser de origen humano (contaminación antropogénica), tal como las relacionadas con:

La generación de energía.

Transporte.

La industria.

Actividades del hogar.

La agricultura,

y vertederos municipales e industriales, entre otras.

Es por ello que, a nivel mundial el problema de la contaminación atmosférica y su impacto es tema de preocupación, análisis y discusión por parte de los expertos.

En este sentido, en el año 2014 el Grupo Intergubernamental de expertos sobre el cambio climático (IPCC) presento conclusiones claras y sólidas de una evaluación global de la ciencia del cambio climático.

Entre las cuales destaca que ahora la ciencia demuestra con una seguridad del 95% que la actividad humana es la causa dominante del calentamiento observado desde mediados del XX.

Lo anterior es consecuencia de un crecimiento demográfico, económico, industrial y automotor, con pocas o ningunas restricciones o regulaciones de las emisiones de contaminantes a la atmósfera.

Fuentes de la Contaminación 

Las fuentes de contaminación son aquellas instalaciones, procesos o actividades que provocan contaminación ambiental; estas pueden ser: naturales o antropogénicas.

Fuentes Naturales 

Por lo general están relacionadas con la composición del suelo y el agua, los componentes de algunos alimentos, las emanaciones volcánicas, etc., los cuales representan un porcentaje bajo de los problemas de salud pública debidos a contaminación.

Fuentes Antropogénicas

Son más importantes como causa de problemas de salud pública, su naturaleza; el tipo de contaminantes que emiten es muy variado. Las fuentes antropogénicas de contaminación pueden ser:

• Industriales
• Mineras
• Agropecuarias
• Artesanales
• Domésticas

Desde el punto de vista de la contaminación atmosférica se clasifican adicionalmente como:

• Fijas
• Móviles

Dependiendo de su localización

También, dependiendo de su localización, se pueden clasificar en:

• Fuentes dispersas o difusas: son aquellas en las que los contaminantes llegan a los medios receptores desde zonas amplias y extendidas, geográficamente disgregadas y difícilmente identificables, tal como los escurrimientos agrícolas, mineros y urbanos y la deposición atmosférica.
• De fuentes puntuales o localizadas: son aquellas en las que los contaminantes llegan al medio receptor desde un punto de descarga fijo y definido, o ubicación geográfica particular.

De tal modo que se puede determinar de forma precisa, tal como los sistemas de tratamiento de aguas residuales, las industrias, hospitales, edificios públicos y canales.

Según su origen

Otra clasificación muy útil se basa en el método de aparición en la atmósfera.

Así que el contaminante en su forma primaria u original, tal cual es emitido por la fuente se denomina contaminante primario.

Si éstos experimentan transformaciones químicas dan origen a los contaminantes secundarios.

a) Contaminantes primarios:

Son las sustancias que tienen carácter contaminante y son vertidas directamente a la atmósfera desde los focos emisores, tantos naturales como antropogénicos, y provocan alteraciones en la calidad del aire produciendo lo que se conoce a menudo como contaminación convencional.

En consecuencia, los principales contaminantes primarios son:

• Compuestos del carbono: $CO_{2}$, CO, $CH_{4}$, compuestos orgánicos volátiles.
• Materia particulada agrupada en: $PM_{10}$ (materia particulada de 10 micrómetros de diámetro), de baja penetrabilidad en la vías respiratorias, y $PM_{2.5}$ (materia particulada de 2.5 micrómetros de diámetro), de profunda penetrabilidad en las vías respiratorias.
• Los compuestos del nitrógeno: $NO_{2}$, NO, $NH_{3}$.
• Compuestos del azufre: $SO_{2}$, $SO_{3}$.
• Algunos compuestos halogenados.

b) Contaminantes secundarios:

Son el resultado de la interacción química, entre contaminantes primarios y otros compuestos habituales de la atmósfera, los más importantes son el ácido sulfúrico ($H_{2}SO_{4}$), ácido nítrico ($HNO_{3}$), ozono ($O_{3}$), peroxiacetilnitrato (PAN).

Cabe destacar que en la tabla 2 mostramos un resumen de los principales tipos de  contaminantes atmosféricos.

Tabla 2 Resumen de los principales contaminantes atmosféricos

TIPO	CONTAMINANTE	FUENTE	CARACTERISTICAS	EFECTOS
Óxidos de carbono	Monóxido de carbono (CO)	Combustión incompleta de gasolina o gasoil	Primario Gas Incoloro Inodoro Insípido	Reemplaza al oxígeno en la unión O2– hemoglobina produciendo anoxia y muerte cerebral
	Dióxido de carbono ($CO_{2}$)	Combustión de productos orgánicos	Primario Gas Incoloro Inodoro Insípido	Efecto invernadero cambio climático
Óxidos de azufre	Dióxido de azufre ($SO_{2}$)	Combustión de carbón y petróleo Aerosol marino Volcanes	Primario Gas Incoloro Olor fuerte e irritante No inflamable	Contribuye la lluvia acida
	Trióxido de azufre ($SO_{3}$)	Reacciones de ($SO_{2}$) con $O_{2}$O2	Secundario	Contribuye la lluvia acida
Óxidos de nitrógeno	Óxido Nitroso ($N_{2}O$)	Descomposición de materia orgánica nitrogenada	Gas inerte Anestésico	Efecto invernadero Destrucción de la capa de ozono
	Óxido Nítrico (NO)	Automóviles y plantas de energía	Primario Incoloro Tóxico en elevadas concentraciones	Contribuye la lluvia acida y responsable del agujero de la capa de ozono
	Dióxido de Nitrógeno ($NO_{2}$)	Combustión a elevadas temperaturas de carbón, petróleo y gasolina.	Irritante Precursor del ozono	Contribuye la lluvia acida y contaminación fotoquímica
Particulas	Polvos Humos Nieblas o Brumas.	Natural Antropogénico	Pueden transportar consigo otros contaminantes	Afecta las vías respiratorias
Oxidantes	Ozono ($O_{3}$)	Reacciones químicas de sus precursores: óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles	Secundario	Smog fotoquímico Irritante de ojos y membranas mucosas

Consecuencias de la Contaminación Atmosférica

Entre las muchas consecuencias de la contaminación atmosférica podemos destacar las siguientes:

1) Efectos sobre la salud:

Según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) la contaminación atmosférica ocasiona una variedad de problemas de salud, incluyendo efectos al corazón, los nervios y al sistema vascular.

Además una cantidad significativa de investigaciones ha demostrado que la exposición a largo plazo a materia en partículas finas, conocidas también como $PM_{2.5}$, puede tener un impacto en las enfermedades del corazón.

Por desgracia estas partículas son emitidas a lo largo del año por vehículos de motor, plantas de energía eléctricas, industrias, fuegos forestales y son creadas cuando la luz solar interactúa con el vapor y los contaminantes gaseosos.

2) Efectos sobre los ecosistemas:

Los efectos de la contaminación atmosférica recaen sobre animales, cosechas, ciudades, bosques y ecosistemas acuáticos.

Las concentraciones de dióxido de carbono $CO_{2}$ han aumentado en un 40% entre 1970 y 2010, y los océanos han absorbido alrededor del 30% del $CO_{2}$ antropógeno emitido, provocando su acidificación.

La polución atmosférica no sólo tiene un efecto directo negativo sobre la vegetación por deposición de los contaminantes sobre la parte aérea de las plantas y pérdida de nutrientes por lavado e intercambio iónico, sino indirectos, los cuales incluyen la acidificación del suelo.

3) Efectos sobre los materiales:

El efecto más importante de los contaminantes atmosféricos sobre los materiales es la corrosión.

Los óxidos de azufre ($SO_{x}$) causan daños a muchos tipos de materiales, directa o indirectamente: además de la humedad y la temperatura, un alto contenido de $SO_{x}$ en el aire acelera la corrosión de metales como el acero al carbono, zinc, compuestos de cobre, níquel y aluminio.

4) Cambios climáticos globales

Se consideran problemas ambientales globales o problemas ambientales a escala mundial los que afectan en mayor o menor medida a todas las poblaciones humanas y que por lo tanto su resolución es importante para toda la humanidad.

Primero, el cambio climático o calentamiento global,

Segundo, la reducción de la capa de ozono,

Tercero, la lluvia ácida,

Cuarto, la pérdida de la biodiversidad,

Por último, la contaminación y el agotamiento de los recursos naturales.

Cada vez más la contaminación del aire sobre todo en las grandes ciudades es un problema que causa mayor preocupación en Latinoamérica, donde más de 100 millones de personas viven expuestas a niveles de contaminación del aire superior a los recomendados por la OMS.

Por ejemplo la Ciudad de México es considerada una de las ciudades más contaminadas del planeta, según un estudio realizado por IMCO (Instituto Mexicano para la Competitividad) el número de muertes por contaminación del aire al año en México es de 5 065.

En 2011 solo hubo 124 días en el año con un aire de buena calidad.

En 2014 la alta concentración de ozono obligó a las autoridades a decretar la precontingencia por tres días.

Medidas de control

Como se mencionó anteriormente la contaminación atmosférica se produce de forma inherente a la actividad humana, siendo una consecuencia no deseable del progreso tecnológico, estas actividades se encuentran íntimamente relacionadas con nuestro estándar material de vida.

Fuente: https://sites.google.com/site/lacontaminacionorg/control-de-la-contaminacion

No obstante eliminar estas actividades causaría una disminución tan drástica en el estándar de vida que esta acción rara vez se considera.

En consecuencia la solución propuesta en la mayor parte de los países industrializados es continuar dichas actividades y controlar las emisiones de los contaminantes a la atmósfera que provengan de ellas.

En este sentido, los gobiernos han adoptado una serie de medidas de carácter normativo y político para minimizar los efectos negativos y garantizar el cumplimiento de las normas sobre la calidad ambiental.

La mayor parte de las actividades de control de la contaminación del aire surgen como respuesta a las leyes y reglamentaciones sobre el particular o como anticipación a éstas.

Estas medidas han incluido:

En primer lugar un cambio sistemático a combustibles menos contaminantes.

Además restricción diaria de la circulación de un determinado porcentaje de vehículos.

También el cierre diario de algunas industrias, entre otras.

Sigue atento al blog que dentro de poco estaremos publicando nuevos contenidos que contribuirán a tu formación. Esperamos que la información haya sido de tu agrado y te ayude.

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