Download COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LA ATMÓSFERA

METEOROLOGIA DE LA
CONTAMINACIÓN DEL
AIRE
Dr. Arturo Figueroa Montaño. Departamento de
Física. Centro Universitario de Ciencias Exactas e
Ingenierías. Universidad de Guadalajara.
10/09/2008
COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA VERTICAL DE LA ATMÓSFERA
La atmósfera consiste en una capa delgada de gases mezclados que cubren la
superficie de la tierra, más del 99% de la masa total de la atmósfera se
encuentra dentro aproximadamente de 30 km de la superficie de la tierra. La
masa total de la atmósfera es de aproximadamente 5.14 x 1015 toneladas
métricas.
La composición de la atmosfera ha venido cambiando de manera gradual a lo
largo del tiempo, debido principalmente a los procesos naturales que ocurren
en la tierra, así como a los muchos procesos antropogénicos introducidos por la
especie humana. Entre los procesos naturales se encuentran algunos procesos
biológicos como la respiración de lo animales, incluyendo los humanos que
remueven oxígeno de la atmósfera y en turno producen dióxido de carbono
(CO2). El proceso fotosintético de las plantas usa el CO2 para producir
oxígeno, de esta manera regresando el O2 a la atmósfera. Otros procesos
naturales incluyen los eventos geológicos como las erupciones volcánicas, que
no únicamente inyectan cantidades masivas de partículas a la atmósfera, sino
también grandes cantidades de CO2 y vapor de agua. Mientras que gran parte
de la composición atmosférica es mantenida mediante estos procesos
naturales, la interacción de las actividades humanas con la atmosfera tiene de
igual manera implicaciones profundas sobre la composición atmosférica y como
consecuencia sobre la calidad y continuidad de la vida sobre la tierra.
Para hablar de la composición de la atmosfera es necesario idealizar una
parcela de aire seco y limpio, y en estos términos se nos facilita el hablar de
componentes gaseosos permanentes y variables. De esa manera el primer
término se refiere a que la concentración de gases es virtualmente constante
cerca de la superficie de la tierra y hasta una altitud promedio de 80 km. Tal
como se muestra en la tabla 1, el gas nitrógeno es el más abundante ocupando
el 78% de la concentración en volumen, el segundo mas abundante es el
oxigeno con el 21% del volumen. Así, juntos el oxígeno y nitrógeno constituyen
el 99% del aire que respiramos. El tercer gas mas abundante es el argón, con
una concentración un poco menos del 1%.
Tabla 1. Gases permanentes cerca de la superficie de la tierra. (Stanley, 2007)
Gas
Composición química
Porcentaje
(por volumen de aire seco)
Nitrogeno
N2
78.08
Oxigeno
O2
20.95
Argón
Ar
0.93
Neón
Ne
0.0018
Helio
He
0.0005
Hidrogeno
H2
0.00005
Xenón
Xe
0.000009
De manera distinta a los gases permanentes, en la atmosfera también ocurren
otras numerosas sustancias de concentración variable las cuales se resumen
en la tabla 2. Con excepción del vapor de agua, cada una de estas sustancia
variables existen en a atmósfera en concentraciones mucho menores al 1% en
volumen, por lo que su concentración generalmente se refiere en partes por
millón (ppm) o partes por billón (ppb) por volumen. Además estas sustancias
variables no únicamente incluye gases, sino también materia particulada; con
ello quedando claro que el aire que respiramos no es simplemente un
compuesto de moléculas aisladas, sino que es una mezcla compleja de gases,
líquidos y sólidos.
Tabla2. Sustancias variables de la atmosfera cerca de la superficie de la tierra.
(Stanley, 2007)
Sustancia
Composición
química
Porcentaje
ppm
(por volumen de (partes por
aire seco)
millón)
Vapor de agua
H2O
0-4
-------
CO2
CO2
0.035
350
Metano
CH4
0.00017
1.7
Oxido nitroso
N2O
0.00003
0.3
O3
0.000004
0.04
Materia particulada
-------
0.000001
0.01
Flouroclorocarbonos
(CFCs)
-------
0.00000001
0.0001
Ozono
La tabla 2 muestra que la sustancia más variable en la atmosfera es el vapor
de agua con una concentración en volumen de 0-4 %. La mayoría de esta entra
a la atmósfera vía evaporación y transpiración. La primera ocurre cuando una
molécula de cualquier superficie de agua gana suficiente energía cinética (a
menudo por la radiación solar) para romper el enlace que mantiene a las
moléculas juntas, y de esta forma escapar a la atmosfera como una molécula
aislada de vapor de agua. Por otro lado la transpiración ocurre por las
diferencias de presión que existen en el interior de las células de las hojas de
las plantas y el vapor de agua de la atmosfera. Durante el día los poros
(estomata) de las hojas de las plantas se abren como respuesta a la luz solar y
por la diferencia de presión del vapor de agua entre el interior de la hoja y la
atmosfera, el vapor de agua viaja de zonas de alta presión a las de baja
presión, aportando así humedad a la atmosfera. El contenido de agua en la
atmosfera se expresa como humedad relativa (RH) usualmente expresado
como porcentaje.
Comparando las concentraciones del resto de las sustancias variables
parecieran ser no tan importantes, aunque algunos de ellos como los CFCs han
mostrado pequeños incrementos pero de consecuencias importantes para la
vida en el planeta. Como ejemplo los profesionales de la calidad del aire han
reconocido que esa fracción tan pequeña de CFCs esta causando daños a la
atmosfera, lo que consecuentemente tendrá efectos a largo plazo sobre la vida
en el planeta, al ser el causante de la destrucción del ozono estratosférico.
Hasta este punto hemos revisado la constitución de la atmosfera en términos
generales, nombrando y caracterizando algunas de las varias sustancias que la
conforman. Sin embargo, la atmosfera no es simplemente un gran reservorio
que principalmente almacena las sustancias descritas. Sino que mas bien la
podemos ver como un baso de precipitado de un laboratorio, lleno con mucho
diferentes reactivos químicos. Unas pocas de estas sustancias que son
cruciales al problema de la calidad del aire son los aerosoles y los
contaminantes.
Los aerosoles se refieren a partículas líquidas (a excepción del vapor de agua y
hielo) y sólidas que están suspendidas en el aire, tales como; polen, polvo y
smog. Por otro lado los contaminantes se refieren a cualquier sustancia
(líquida, solida, o gas) que tienen el potencial de producir efectos adversos a la
salud humana y otros animales, daño a la vida de las plantas, o causan daño a
estructuras físicas.
LA IMPORTANCIA DE LA ATMÓSFERA: La atmósfera es una capa
protectora que hace posible la vida en la tierra y la protege del ambiente hostil
del espacio exterior. Es la fuente de dióxido de carbono para la fotosíntesis de
las plantas y de oxígeno para la respiración. Proporciona el nitrógeno que las
bacterias fijadoras y las plantas productoras de amoniaco emplean para
producir el nitrógeno en lazado químicamente, que es un componente esencial
de las moléculas de los seres vivos. La atmosfera es también una parte básica
del ciclo hidrológico, transporta el agua de los océanos a la tierra, actuando así
como condensador en un inmensa destilería alimentada por la energía solar.
En su papel principal como escudo protector, la atmósfera absorbe la mayoría
de los rayos cósmicos del especio exterior, y protege los organismos de sus
efectos. También absorbe la mayoría de la radiación electromagnética del sol,
permitiendo la transmisión de cantidades significantes de radiación solo en las
regiones de 300-2500 nm (radiación del ultravioleta cercano, del visible y del
infrarrojo cercano) y de 0.01-40 m (ondas de radio). Además la atmosfera
reabsorbe mucha de la radiación infrarroja que es re-emitida la espacio,
estabilizando así la temperatura de la tierra, impidiendo la temperaturas
extremas que ocurren en planetas y lunas que carecen de atmosferas
sustanciales.
ESTRATIFICACIÓN DE LA ATMÓSFERA: La atmósfera se estratifica de
acuerdo con la relación temperatura - densidad como resultado de las
interacciones entre los procesos físicos y fotoquímicos en el aire (Figura 1).
La capa mas baja de la atmósfera que se extiende desde el nivel del mar hasta
una latitud de 10-16 km es la TROPOSFERA, caracterizada por una
composición generalmente homogénea de los gases permanentes y donde la
temperatura decrece con la altitud. La magnitud de la disminución de la
temperatura para el aire seco con altitud creciente se conoce como la
velocidad de lapso adiabático que tiene un valor de 9.8 K km-1. Sin embargo
como la atmosfera contiene vapor de agua que se condensa según la masa de
aire sube, liberando calor de vaporización y disminuyendo la velocidad del
lapso hasta un promedio de aproximadamente 6.5 K km -1.
Figura 1. Las capas en la atmósfera. (Ritter, 2006)
En el límite superior de la troposfera (tropopausa) ocurre una temperatura
mínima de aproximadamente -56°C, esta pudiendo variar en altitud hasta en un
km o mas, dependiendo de la temperatura atmosférica de la superficie terrestre
subyacente, de la latitud y de la meteorología. La composición mas o menos
homogénea en esta capa se debe a la mezcla constante de las masas de aire
por las corrientes de convección impelidas por la situación inestable con el aire
más frio encima del aire más cálido.
Por el contrario el contenido de vapor de agua en la troposfera es sumamente
variable debido a la formación de las nubes, la precipitación y la evaporación
de agua de los sistemas acuosos terrestres. Las bajas temperaturas
registradas en la tropopausa sirven como barrera para que el vapor de agua no
escape al condensarlo en hielo. Si alcanzara altitudes mayores este se
fotodisociaría por acción de la intensa radiación ultravioleta de alta energía, por
lo que el hidrógeno producido escaparía de la atmosfera terrestre y se perdería.
Gran parte de los gases hidrógeno y helio presentes en la atmósfera de la tierra
se pierden por este proceso.
ESTRATÓSFERA: Capa que esta directamente encima de la troposfera. Aquí
la temperatura crece con la latitud hasta un máximo de aproximadamente -2°C,
lo que produce poco mezclado vertical debido a la presencia del ozono, que
puede alcanzar un nivel de alrededor de 10 ppm en volumen en la zona media
de la estratosfera (Figura 1). El efecto de calentamiento es causado por la
absorción de energía de la radiación ultravioleta por el ozono.
MESOSFERA: En esta capa el comportamiento de la temperatura es inverso,
principalmente debido a la ausencia de especies absorbentes de radiación. La
temperatura más baja puede alcanzar valores promedio de hasta -92°C a una
latitud de alrededor de 85 km (Figura 1). Las regiones más altas de la
mesosfera, definen una región llamada exosfera donde predominantemente
dominan iones y moléculas que fácilmente pueden escapar de la atmósfera.
TERMOSFERA: Se extiende hasta los límites exteriores lejanos de la
atmosfera, aproximadamente 500 km. La temperatura en este nivel se
incrementa con la altitud hasta llegar a los 1200 °C. Este incremento se debe a
que la absorción de las intensas radiaciones solares se encuentra limitada por
unas pequeñas cantidades de oxígeno, siendo los principales componentes
atmosféricos el nitrógeno y el oxígeno. A estas altitudes extremas las
moléculas de gas se encuentran ampliamente separadas, haciendo la densidad
del aire muy baja.
PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y MASA EN LA
ATMOSFERA: Las características físicas y químicas de la atmósfera y el
balance de calor de la tierra, están determinados por los procesos de
transferencia de energía y masa.
La energía solar entrante está mayoritariamente en la región visible del
espectro (Figura 2). La luz solar azul de longitud de onda mas corta es
dispersada con relativa intensidad por las moléculas y partículas en la
atmósfera superior, lo cual explica porque el cielo es azul según se ve por la luz
dispersa y parece rojo por la luz transmitida, particularmente alrededor del
ocaso y la salida del sol y cuando la atmosfera contiene un nivel alto de
partículas.
Figura 2. Regiones del espectro visible de la luz. (Ritter, 2006)
El flujo de energía solar que llega a la atmósfera es de 1.34 x 10 3 W por metro
cuadrado (constante solar). De esta radiación, cerca de la mitad alcanza la
superficie de la tierra directamente o después de ser dispersada por las nubes,
los gases atmosféricos o las partículas. La segunda mitad restante, se refleja
directamente hacia atrás o es absorbida en la atmósfera y su energía se irradia
al especio posteriormente como radiación infrarroja (Figura 3).
La energía que alcanza la superficie terrestre es absorbida y retornada al
especio para mantener el balance de calor. El transporte de energía, que es
crucial para la eventual re-irradiación de energía desde la tierra se efectúa por
tres mecanismos principales: La conducción, la convección y la radiación.
Figura 3.- El balance de energía en la atmósfera (Ritter, 2006).
CONDUCCIÓN:La conducción de energía ocurre a través de la interacción de
átomos o moléculas adyacentes, sin que se mueva el cuerpo material, y es un
medio relativamente lento de transferir energía a la atmósfera.
CONVECCIÓN: La convección involucra el movimiento de masas enteras de
aire que pueden estar relativamente calientes o frías. Es el mecanismo por el
cual ocurren las variaciones abruptas de temperatura cuando se mueven
grandes masas de aire a través de una región. Así mientras que hay
conducción de calor sensible, debido a la energía cinética de las moléculas, la
convección lleva calor latente en forma de vapor de agua que libera calor
cuando se condensa. Una fracción apreciable del calor de la superficie de la
tierra se trasporta a la nubes en la atmósfera por conducción y convección,
antes de perderse finalmente por radiación.
RADIACIÓN: La radiación de energía en la atmósfera de la tierra ocurre a
través de la radiación electromagnética. Siendo esta la única manera en que se
transmite energía a través de un vacio, por consiguiente es el medio por el que
toda la energía que debe perderse del planeta para mantener su balance de
calor, regrese finalmente al espacio en forma de radiación infrarroja. De esta
manera, la tierra pierde energía por radiación electromagnética de una longitud
de onda mucho mayor, que la radiación por la que recibe la energía, un factor
crucial en el mantenimiento del balance de calor de la tierra y susceptible de
ser perturbado por las actividades humanas.
TRANSFERENCIA DE MASA: La ciencia que se encarga del estudio de la
transferencia de masa en la atmosfera es la meteorología, ciencia de los
fenómenos atmosféricos que abarca el estudio del movimiento de las masas de
aire, así como las fuerzas físicas en la atmosfera: calor, viento y transiciones de
fase del agua, principalmente de líquido a vapor o viceversa. Desde el punto de
vista de la contaminación del aire resulta crucial la comprensión de los
procesos de transferencia de masa en la atmósfera, pues los fenómenos
meteorológicos determinan si los contaminantes emitidos por una fuente
puntual, se elevan en la atmosfera, o se dispersan o depositan cerca de la
fuente donde puede causar el máximo daño.
INVERSIONES TERMICAS Y CONTAMINACIÓN DEL AIRE: El movimiento
complicado del aire a través de la superficie de la tierra es un factor crucial en
la creación y la dispersión de los fenómenos de contaminación atmosférica.
Cuando el movimiento del aire cesa puede ocurrir un estancamiento, con el
resultante aumento de los contaminantes en regiones localizadas. Aunque la
temperatura del aire relativamente cerca de la superficie de la tierra
normalmente disminuye con el aumento de la altitud, ciertas condiciones
atmosféricas pueden producir la condición opuesta, esto es temperatura
creciente con aumento de la altitud (Figura 4a). Tales condiciones se
caracterizan por una alta estabilidad atmosférica y se conocen como
inversiones de temperatura. Debido a que limitan la circulación vertical del aire,
las inversiones de temperatura producen un estancamiento del aire,
encerrando a los contaminantes atmosféricos en áreas localizadas.
Figura 4. Perfil de temperatura mostrando una inversión térmica (a), y la
consecuente acumulación de contaminantes atmosféricos (b). (Figueroa,
2005).
Las inversiones pueden ocurrir de varias maneras, como cuando una masa de
aire cálido pasa por encima de otra de aire frio. Las inversiones de radiación se
forman con mayor frecuencia en la tranquila atmosfera nocturna, cuando la
tierra ya no recibe la radiación solar. El aire mas cercano a la tierra se enfría
más rápidamente que el aire que está más arriba en la atmósfera, que
permanece cálido y por lo tanto menos denso (figura 4 b). Las inversiones de
subsidencia, a menudo acompañadas por las inversiones de radiación, pueden
formarse en la vecindad de un área de alta presión superficial, cuando el aire
de los niveles altos desciende para tomar el lugar del aire de la superficie que
sopla hacia afuera de la zona de alta presión. El aire que desciende se calienta
a medida que va comprimiéndose y puede permanecer como capa cálida
varios cientos de metros sobre el nivel del terreno. La inversión marina se
produce durante los meses de verano, cuando el aire fresco cargado con
humedad del océano sopla hacia la costa y bajo el aire cálido y seco de tierra
adentro.
LA ISLA DE CALOR: El microclima en áreas locales y cerca de la superficie de
la tierra es a menudo muy diferente del clima global. Un efecto particularmente
marcado en el microclima es el inducido por la urbanización. En un escenario
rural, la vegetación y los sistemas acuosos tienen un efecto moderador,
absorbiendo cantidades importantes de energía solar y liberándolas
lentamente. La piedra, el hormigón y el pavimento de asfalto de las ciudades
tiene el efecto opuesto, absorben fuertemente la energía solar y re-irradian el
calor al microclima urbano. Además de lo anterior, las actividades humanas
generan cantidades importantes de calor y producen cantidades importantes de
CO2 y otros gases invernadero que retienen el calor. El resultado neto de estos
efectos es que la ciudad está rodeada por una cúpula de calor en que la
temperatura es hasta 5°C mayor que en las áreas rurales circundantes Figura
5.
Figura 4. La isla de calor característica en la zona urbana. (Arnfield, 2003)
El aire cálido ascendente encima de una ciudad trae brisa del área circundante
y causa un efecto invernadero local que probablemente es contrabalanceado
en gran parte por la reflexión de la energía solar entrante, gracias a la
presencia de la materia particulada que está sobre las ciudades. En conjunto
comparando con las condiciones climáticas en los ambientes rurales cercanos,
el microclima de la ciudad es más caluroso, más brumoso y cubierto con más
capas de nubes durante un porcentaje mayor del tiempo y está sujeto a más
precipitaciones, aunque generalmente es menos húmedo.
BIBLIOGRAFIA
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Recurso
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