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FS -102
ENERGÍA Y CAMBIO
CLIMÁTICOEnergía y Cambio Climático (FS-102)
Sección de Energía/Escuela de Física/Facultad de Ciencias
Universidad Nacional Autónoma de Honduras
UNIDAD I
CONTENIDO
Atmósfera y contaminación atmosférica. Principales contaminantes del aire y sus
efectos. Gases de efecto invernadero.
ATMÓSFERA Y
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
Atmósfera
Es la envoltura gaseosa que rodea la tierra. Esta formada por moléculas de gases, partículas de solidos y líquidos en suspensión y precipitaciones que caen.
Es la responsable de mantener la Tierra con la temperatura suficiente para ser habitable por la vida tal como la conocemos.
Composición de la atmósfera
La atmósfera se compone principalmente de Nitrógeno y Oxígeno; contiene cantidades más pequeñas de argón, vapor de agua, ozono y dióxido de carbono.
Existen otros elementos traza y compuestos en cantidades todavía más pequeñas.
La capa inferior se llama TROPOSFERA, se extiende a unos 16km y, salvo por las inversiones locales de temperatura, se enfría con la altura.
Esta capa contiene casi todo el vapor de agua y las nubes, y es el sitio donde se origina nuestro clima.
Las sustancias que pasan a ella suelen volver a la superficie por precipitación.
ESTRATÓSFERA: Es la capa que está por encima de la tropopausa (es la altitud a la que la temperatura llega a -59 grados Celcius). En esta capa la temperatura aumenta con la altitud, hasta unos 50 km sobre la superficie.
Este incremento en la temperaturase debe sobretodo a que contieneozono, el cual absorbe la radiaciónultravioleta emitida por el sol.
Después de la Estratósfera hay otras dos capas, la MESÓSFERA Y La TERMÓSFERA, donde las concentraciones de ozono disminuyen y solo se encuentran cantidades escasas de oxígeno y nitrógeno.
Contaminación atmosférica
Hay tres factores que determinan el grado de contaminación atmosférica:
1. La cantidad de contaminantes en el aire.
2. El espacio en el que los contaminantes se dispersan.
3. Los mecanismos que los eliminan del aire.
PRINCIPALES CONTAMINANTES
DEL AIRE Y
SUS EFECTOS
Principales contaminantes del aire y sus efectos
Existen 8 contaminantes que han sido identificados como los más difundidos y dañinos para la atmósfera.
1. Partículas suspendidas.2. Compuestos orgánicos volátiles.3. Monóxido de Carbono.4. Óxidos de Nitrógeno.5. Óxidos de azufre.6. Plomo y otros metales pesados.7. Ozono y otros oxidantes fotoquímicos.8. Sustancias tóxicas y el radón.
Partículas suspendidas
Se trata de una mezcla compleja de partículas sólidas y aerosoles (partículas líquidas) suspendidas en el aire. Las vemos como polvo, humo y niebla (esmog) y llevan algunos o todos los demás contaminantes disueltos o adheridos a la superficie.
Estas partículas deterioran muchas funciones respiratorias.
Compuestos orgánicos volátiles
Entre otras sustancias incluyen gasolina, solventes de pinturas y soluciones limpiadoras orgánicas, que se evaporan y entran a la atmósfera como vapor, lo mismo que fragmentos de moléculas de la oxidación incompleta de combustibles y desechos orgánicos.
Estos compuestos son los principales causantes de la formación de Ozono contaminante.
Monóxido de Carbono
Es un gas invisible e inodoro, muy venenoso para los animales porque impide el suministro de oxígeno a los órganos y tejidos.
Óxidos de Nitrógeno (NOx)
Entre estos se encuentran varios compuestos de oxígeno y nitrógeno, todos gases. Los NOx se convierten en ácido nítrico en la atmósfera y son la principal fuente de la lluvia (deposición) ácida.
El Dióxido de Nitrógeno irrita los pulmones y causa enfermedades respiratorias agudas en los niños.
El dióxido de Azufre es un gas venenoso para plantas y animales. Los niños y los ancianos son muy sensibles a él.
Se convierte en ácido sulfúrico en la atmósfera y también es una de las principales fuentes de la deposición ácida.
Óxidos de Azufre (SOx), sobre todo el SO2
Plomo y otros metales pesados
El plomo es muy peligroso en concentraciones bajas y llega a causar daño cerebral y la muerte.
Se acumula en el organismo y lesiona tejidos y órganos.
Ozono y otros oxidantes fotoquímicos
Es cierto que debemos conservar la capa de Ozono de la atmósfera superior para que nos proteja de la radiación ultravioleta.Pero el Ozono es también muy tóxico para plantas y animales; lesiona los tejidos pulmonares y es causante de muchos trastornos en los pulmones.
El Ozono a nivel dentro de la troposfera es un contaminante grave.
Sustancias tóxicas y el radón
Entre los químicos tóxicos del aire se cuentan sustancias carcinógenas, materiales radiactivos y otras sustancias (asbestos, cloruro de vinilo y benceno) emitidas como contaminantes.
El benceno es usado en el campo de los medicamentos, alimentos, polímeros, insecticidas, drogas, pinturas, barnices, etc..
Según el tiempo y el nivel de concentración, los efectos del benceno en el organismo pueden ir desde el mareo, dolor de cabeza o la aceleración del ritmo cardiaco, hasta la muerte por sobreexposición.
El aire caliente en el interior de un vehículo que ha estado estacionado bajo el sol, tiene altas concentraciones de benceno, ya que se utiliza en el plástico conque se fabrican algunas de las partes del automotor (tablero, tapicería, etc.) el que al calentarse libera parte del benceno contenido en él. Por eso, antes de encender el vehículo, se recomienda mantener los vidrios abajo durante unos minutos, para que el aire circule y las personas dentro del vehículo no aspiren cantidades peligrosas de benceno.
El radón es un gas radiactivo causante de cáncer, generado por procesos naturales del interior de la Tierra (rompimiento de rocas; por ejemplo).El radón típicamente sube a través de la tierra hacia el aire y de ahí hacia el interior de la vivienda a través de grietas y otros agujeros en los cimientos. También esta presente en los mismos materiales de construcción como la cerámica, cemento, piedra, etc.
En su mayoría, los contaminantes del aire son subproductos directos e indirectos de quemar carbón, gasolina y otros combustibles líquidos, así como los desechos (papeles, trapos etc.).
Fuentes de los contaminantes
Contaminantes primarios:
Son productos directos de la combustión o la evaporación.
En este grupo están: Partículas, compuestos orgánicos volátiles, CO, NOx, SOx y plomo.
Al quemarse, los combustibles y desechos vierten a la atmósfera partículas consistentes sobretodo en carbono,son las que vemos como hollín y humo.
Además, algunos fragmentos de las moléculas de los combustibles quedan sin quemarse como los compuestos orgánicos volátiles.
El resultado de la oxidación incompleta del carbono es el monóxido de carbono (CO), en tanto que el de la combustión completa es el dióxido de carbono (CO2). La combustión ocurre en presencia de aire, que es 78% Nitrógeno y 21% Oxígeno (1% trazas). A temperaturas de combustión elevadas, parte del Nitrógeno se oxida y forma óxido nítrico (NO).
En el aire, el óxido nítrico reacciona de inmediato con más oxígeno y se convierte en dióxido de nitrógeno (NO2).
El dióxido de nitrógeno absorbe la luz y causa en gran parte el color pardo del esmog fotoquímico.
Contaminantes secundarios:
Algunos de los contaminantes primarios siguen reaccionando en la atmósfera y producen otros compuestos indeseables, llamados contaminantes secundarios.
El Ozono y numerosos compuestos orgánicos reactivos se forman como resultado de reacciones químicas entre óxidos de Nitrógeno y los compuestos orgánicos volátiles del Carbono; la energía necesaria procede de la luz solar.
Por la presencia de la luz, estos productos se conocen en conjunto como oxidantes fotoquímicos.
Los ácidos sulfúrico y nítrico (lluvia acida) se consideran contaminantes secundarios, ya que son producto de la reacción de dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno con la humedad del aire y oxidantes como el hidroxilo.
Control de la contaminación atmosférica
La ley de Aire Limpio de 1970 ordena la imposición de normas para cuatro contaminantes primarios ( Partículas, dióxido de Azufre, monóxido de Carbono y óxidos de Nitrógeno ) y para el contaminante secundario Ozono.
*Reducción de las Partículas. Se ha logrado con la Instalación de filtros, precipitadores electrostáticos y otros dispositivos en fábricas.
*Limitación de los contaminantes de los automotores. Disminución general en el tamaño de los vehículos de pasajeros junto con numerosos dispositivos de control (para una combustión más eficiente y la limitación en las emisiones de compuestos orgánicos volátiles)
Estrategias de control
*Control del ozono. Disminuyendo las emisiones de compuestos orgánicos volátiles.
* Control de las sustancias tóxicas en el aire.Dar una mayor atención al problema de las fugas accidentales de esta sustancia, sustituir los contaminantes por otras sustancias inocuas, pero que lleven a la industria a alcanzar siempre los mismos objetivos
Principales cambios atmosféricos
1. Deposición ácida.
2. Deterioro de la capa de ozono.
3. Calentamiento mundial.
Es la lluvia, niebla, bruma o nieve con más acidez de lo normal (en ausencia de contaminación, la lluvia es ligeramente ácida, con un pH de 5.6) Además, como también hay partículas ácidas secas en la atmósfera, la combinación de deposición y caída de estas partículas se llama precipitación ácida (pH ≤ 5.5)
Deposición ácida
Las emisiones de dióxido de Azufre y óxidos de Nitrógeno reaccionan con los radicales hidroxilos y el vapor de agua de la atmósfera para formar sus ácidos respectivos, que caen como deposición ácida seca o, mezclados con agua, como precipitación ácida.
Fuentes de la Deposición Ácida:
El análisis químico de la deposición ácida revela la presencia de ácido sulfúrico y ácido nítrico.La quema de combustibles produce dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, con lo que empieza a aparecer el problema de la deposición ácida.En la troposfera se oxidan y se convierten en ácido sulfúrico y nítrico, que se disuelven con facilidad en agua y caen con la precipitación ácida.
Efectos de la deposición ácida:
En los sistemas acuáticos:Si el pH del ambiente varía incluso en una
unidad del punto óptimo, casi todos los organismos se trastornan y muchos mueren.
En los bosques:Reduce el crecimiento de los árboles. Esto se debe a reacciones químicas en
el suelo, donde se reduce la cantidad de calcio y magnesio
En los seres humanos y sus obras:
Uno de los efectos más notables es el deterioro de las piezas de ornato.
Causa erosiones y corrosión en monumentos, esculturas y edificaciones.
El aumento en la acidez del agua también arrastra plomo de las tuberías viejas y de las soldaduras de los nuevos tubos de cobre.
Deterioro de la Capa de Ozono
Además de luz visible, el sol emite radiación ultravioleta (UV), la cual al penetrar en la atmósfera y ser absorbida por los tejidos del organismo, daña proteínas y moléculas de ADN de la piel de los seres vivos (es lo que ocurre cuando nos quema el sol).
No sufrimos más efectos nocivos de los rayos UV porque la capa de ozono de la estratósfera absorbe casi toda esa radiación. Es por eso que es necesario conservar la capa de Ozono, pero ciertos contaminantes antropogénicos la están destruyendo.
Si toda la radiación UV que llega a la estratósfera llegara a la superficie de la Tierra, sería difícil que sobreviviera algo.
GASES DE EFECTO INVERNADERO
El efecto invernadero es necesario. Sin él, haría tanto frío en la tierra que no sobreviviríamos. Pero la contaminación está intensificando el efecto invernadero.
Por ejemplo, cuando un auto está estacionado bajo el sol con las ventanillas cerradas, el interior del auto se calienta, debido a que la luz pasa a través de los cristales, la energía de la luz es absorbida por los asientos y otros objetos del interior del auto, la energía de la luz al ser emitida por los cuerpos que absorbieron esa energía se hace en forma de radiación infrarroja, conocida como energía calorífica.
La radiación infrarroja a diferencia de la luz, no cruza los cristales, sino que queda atrapada en el interior y eleva la temperatura del aire.
Es el mismo principio que hace que los invernaderos sean más cálidos que su entorno. Los gases que cumplen una función análoga a la de los cristales de los invernaderos, son llamados GASES DE EFECTO INVERNADERO
Los gases de efecto invernadero que en forma natural se encuentran en la troposfera absorben parte de la radiación y la devuelven a la superficie de la Tierra; en cambio otros gases como el Nitrógeno y el Oxígeno no actúan así.
Los gases de efecto invernadero son como una manta eléctrica; aíslan la Tierra y demoran el escape de la radiación infrarroja al espacio, con lo que se aumenta la temperatura en la troposfera.
Sin tal aislamiento, el promedio de las temperaturas superficiales sería 33 grados más frío y la vida que conocemos sería imposible.
Sus concentraciones en la atmósfera fluctúan de invierno a verano a causa de las estacionales de la fotosíntesis. Su promedio aumenta debido a las actividades humanas; por ejemplo, la quema de combustibles fósiles y la deforestación.
Dióxido de Carbono (CO2(g))
Aunque absorbe energía infrarroja, su concentración en la troposfera es variable.
Por evaporación y precipitación, el agua circula con rapidez en la parte baja de la atmósfera y el vapor no tiende a acumularse.
Vapor de agua (H2O(g))
No obstante, como atrapa la energía radiada de vuelta a la atmósfera, las concentraciones elevadas de vapor de agua contribuyen al calentamiento de la superficie oceánica y de las capas inferiores del aire.
Es un producto de las reacciones microbianas de fermentación, también lo emiten las minas de carbón, las tuberías de gas y los pozos petroleros.
Metano (CH4(g))
También se forma en los estómagos de los rumiantes, por eso se piensa que la ganadería es causante de mucho del aumento del gas en la troposfera. Este gas entra a la atmosfera más rápidamente de lo que se elimina.
Los niveles de Óxido nitroso también están en aumento. Entre las fuentes de éste gas se incluye la quema de biomasa y el uso de fertilizantes químicos, cantidades menores proceden de la combustión de los combustibles fósiles.
Óxido Nitroso (NO2(g))
Las emisiones de NO2 son inconvenientes porque su tiempo de estancia prolongado, será un problema no solo en la troposfera, donde propicia el calentamiento, sino también en la Estratosfera, donde interviene en la destrucción del ozono.
CFC´s y otros halocarburos.
Los clorofluorocarbonos conocidos como CFC`s, son utilizados como refrigerantes y como gases propulsores en los aerosoles.
Debido a su volatilidad se acumulan en la alta atmósfera, donde causa la destrucción de la capa de Ozono.
El origen de las emisiones de halocaburos es totalmente antropogénico (son usamos por ejemplo como refrigerantes, solventes) y sus concentraciones aumentan más rápidamente que las de los otros gases de invernadero.Al igual que el óxido nitroso, tiene larga vida y participan tanto en calentamiento de la Troposfera, como en la destrucción de la capa de ozono en la estratosfera. Estos gases atrapan 60% más radiación infrarroja que el dióxido de Carbono.
Varios contaminantes se suman a los gases naturales de invernadero en la atmósfera.
El aumento en todos estos gases retrasa la difusión al espacio de la radiación infrarroja, lo que conduce al calentamiento del planeta.
Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero
Es la contabilidad de las emisiones de gases y partículas que resultan de las actividades antropogénicas aumentando la concentración de gases en la atmósfera en niveles superiores a los que son producidos en forma natural.
Fuente: SERNA. 2008. INGEI 2000
Emisiones en Gg de GEI´s por sector de consumo durante 1995
Gas Industria de la Energía
Transporte aéreo Nac.
Transporte terrestre
Residencial Totales %
CO2 598.43 64.418 2,192.21 5,493.75 2855.058 86.01 CO 7.82724 0.09099 103.71949 255.66425 367.30197 11.07 N2O 0.03572 0.00182 0.01833 0.20453 0.2604 0.01 NOX 2.40276 0.00273 22.35243 5.11329 29.87121 0.90 CH4 0.25563 0.00045 0.30955 15.33986 15.90549 0.48 COVDM 0.43 0.05 19.7 30.68 50.86 1.53
Totales 609.38135 64.56399 2338.3098 307.00193 3319.25707 100
% 18.36 1.95 70.45 9.25
Observaciones: Para el cálculo de CO2 en el sector Industria de la Energía, no se consideró la biomasa consumida
en éste y en los totales no se incluye el CO2 producido por el sector residencial.
Fuente: SERNA Primer Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero, 1995
Fuente: SERNA, Segundo Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero, 2000
Todos dejamos una huella ecológica. Es la unidad que se usa para medir nuestro impacto en el ambiente por emisión de gases de efecto invernadero.
Huella ecológica:
Se usa la palabra huella porque ésta nos recuerda que nuestras acciones dejan una marca, como una huella en la arena. Pero que perdurará siempre.
Nuestra huella ecológica tiene dos partes: La huela primaria y la huella secundaria.
La huella primaria muestra las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero de los que somos responsables directos como los que se derivan de nuestros desplazamientos o de la electricidad que consumimos.
La huella secundaria es la unidad con la que se miden las emisiones de los que somos responsables indirectos como las derivadas de los productos que compramos.
Todas esas emisiones de dióxido de carbono contribuyen al calentamiento global.