Contaminación del aire

Contaminación del Aire
Jorge Jiménez del Rio, Ph.D.
(jorgejimenez@udec.cl)
Facultad de Ingeniería
Universidad de Concepción
Introducción a la Atmósfera
Definiciones:
La atmósfera (del griego “atmos”, vapor, aire, y “esfera”) es la capa de gas que puede
rodear un cuerpo celeste con la suficiente masa como para atraerlos.
La atmósfera terrestre es la parte gaseosa de la Tierra, siendo por esto la capa más
externa y menos densa del planeta. Está constituida por varios gases que varían en
cantidad según la presión a diversas alturas. Esta mezcla de gases que forma la
atmósfera recibe genéricamente el nombre de aire.
Introducción a la Atmósfera
“La atmósfera es el aire que respiramos, la brisa que mueve la hojas de
los árboles, las nubes que flotan en el cielo y los rayos que caen a la
tierra. La atmósfera nos rodea en todo momento, nos mantiene vivos y
cálidos. Es parte de sistema terrestre, todos la conocemos y a veces no
le damos importancia, pero sin la atmósfera nosotros dejaríamos de
existir en cuestión de minutos”.
La Atmósfera Actual
Composición de la Atmósfera
Componente
% volumen aire seco ppm (vol)
78.1
20.9
0.9
Nitrógeno (N2)
Oxígeno (O2)
Argon (Ar)
variables
Vapor de agua (H2O)
Dióxido de carbono (CO2) ↑
Monóxido de carbono (CO)
Dióxido de azufre
Nióxido de nitrógeno (NO2)
Ozono (O3)
0-5
0.039
393
≤ 100
0-1
0-0.2
0-10
Atmósfera actual
Capas de la atmósfera
Troposfera
• (0-10 km) Concentra 3/4 partes de la masa de la atmósfera.
• Capa más agitada (turbulencia), aquí ocurren los fenómenos
meteorológicos y determina el clima en la Tierra.
• En ella se concentran los componentes hídricos:
– Nubes
– Humedad
– Precipitaciones
• La contaminación del aire
se concentra en esta capa.
• El límite superior es la tropopausa,
zona de transición entre la
troposfera y estratosfera
Estratosfera
• Contiene la capa de ozono, la cual nos protege de los
dañinos rayos U.
• En la parte inferior, la temperatura es casi constante con la
altura, o crece lentamente.
• Se incrementa fuertemente en la parte superior hasta
alcanzar un máximo en la estratopausa
• La temperatura incrementa debido a las absorción de la
radiación UV por las moléculas de ozono.
• No hay movimientos verticales por lo que la contaminación
que se inyecta nos se dispersa y puede permanecer por un
tiempo prolongado.
Mecanismo de formación y destrucción de ozono
en la estratosfera
Reacciones de Chapman (~1930)
Producción
O2 + hV
O+O
O + O2 + M
O3 + M
Destrucción
O3 + hV
O2 + O
O + O3
2O2
Ozono en la estratosfera: filtro contra la radiación UV
UV-a : 320 a 400 nm, menor frecuencia y energía.
UV-b : 320 a 290 nm, energía media, son peligrosos para la salud.
UV-c : 290 a 200 nm, mayor energía son los más peligrosos para la salud.
Mesosfera
• La temperatura disminuye con la
altura hasta alcanzar un mínimo
en la mesopausa.
Termosfera
• La temperatura crece con la
altura.
• Absorción de radiación UV
Ionosfera
La ionosfera es aquella región de la atmósfera donde la
ionización tiene lugar, de modo que permanecen en
libertad los electrones producidos
• La temperatura aumenta debido a la fotoionización.
• Aquí esta la F1, F2, E (importante para reflejar las
ondas de radio)
BALANCE TÉRMICO EN LA
ATMÓSFERA
Absorción de radiación en la atmósfera
•
La energía contenida en la atmósfera proviene del sol mediante
ondas electromagnéticas o fotones.
•
Las capas superiores de la atmósfera reciben la radiación UV dando
origen a reacciones en las cuales participa el O3, absorbiendo una
gran fracción de los rayos UV.
Efecto Invernadero
Comparación de la radiación solar y terrestre
Efecto Invernadero
•
La radiación térmica emitida por la superficie terrestre es absorbida
por algunos gases atmosféricos (CO2, CH4, N2O, H2O, O3) y re-emitida
hacia la superficie, produciendo el denominado efecto invernadero.
•
Estos gases invernadero son los que mantienen la Tierra a los niveles
de temperatura que conocemos (de otra forma tendríamos temperaturas
del orden de –18ºC)
•
Actual T de equilibrio 15 ºC
Balance térmico en la atmósfera
Para lograr un equilibrio, las circulaciones atmosféricas y oceánicas realizan una
transferencia continua de calor a larga escala (de latitudes bajas a altas). La atmósfera
conduce el aire cálido hacia los polos y el aire frío hacia el ecuador.
Patrones generales de circulación de la atmósfera
•
Masas de aire ascienden desde el ecuador y bajan
en a presión a zonas de latitud media (30o), y así
mismo distribuyen energía (calor) desde el
ecuador hacia las zonas de mayor latitud.
•
La pérdida de masa de aire en la superficie del
Ecuador es compensado por aire que converge
dentro de toda la zona intertropical, hacia la zona
ecuatorial. La zona entre los trópicos hacia donde
convergen los vientos es conocida como Zona de
Convergencia Intertropical (ZCIT), el cual es
caracterizado por un cinturón de centros de baja
presión.
H
L
H
ZCIT
Patrones generales de circulación de la atmósfera
Fuerzas que definen los patrones de viento
•
Gradiente de Presión (FP): Causante del movimiento de las masas de aire como
resultado de la migración (flujo) de estas desde zonas de alta presión a zonas de
baja presión.
A
B
Patrones generales de circulación de la atmósfera
Fuerza de Coriolis
•
Fuerza de deflexión de Coriolis (Fc): También denominada efecto de Coriolis es
una fuerza ficticia o aparente que hace que un objeto que tiene una trayectoria
recta en un disco en movimiento abandone dicha trayectoria desviándose con
respecto al disco en la dirección del giro.
Patrones generales de circulación de la atmósfera
Fuerzas que definen los patrones de viento
•
Fuerza de fricción (Ff): fuerza que se opone al flujo de las masas de aire, esta
fuerza es proporcional a la velocidad de circulación de las masas de aire y a la
rugosidad de la superficie. Su efecto disminuye con la altura y se considera
despreciable sobre 1 km desde la superficie.
Patrones generales de circulación de la atmósfera
Fuerzas que definen los patrones de viento
•
La interacción del gradiente de presión, la fuerza de corriolis y la fricción de la
superficie genera como resultante los vientos geostróficos (u). Notar que la fuerza
de fricción (Ff) se opone a la dirección de los vientos resultantes (u)
Patrones generales de circulación de la atmósfera
El viento
•
El viento es el elemento básico de la circulación atmosférica.
•
Contribuye al transporte de calor, humedad y contaminantes.
•
La dirección del viento que sopla con mayor frecuencia en una zona se
denomina “ prevalente o predominante”.
– Ej: Viento Norte: Es aquel que sopla de norte a sur.
Efectos locales de circulación
•
Los efectos locales de circulación resultan del calentamiento
desigual de la superficie.
•
Principalmente se distinguen dos efectos muy marcados
– Brisa marina
– Vientos de valle y montaña
•
Estos efectos se deben considerar desde el punto de vista de
control de la contaminación.
•
También desde el punto de vista del potencial de la energía eólica.
Efectos locales de circulación
• El efecto de brisa marina
Durante el día la tierra se calienta
rápidamente lo cual calienta el aire
cercano a la superficie, este comienza a
ascender y se produce una zona de baja
presión en la tierra. Y asi comienza un
mecanismo de circulación local de masas
de aire
Durante la noche la tierra se enfría
rápidamente en comparación con la T del
océano, esto revierte el patrón de
circulación local y el viento superficial
comienza a soplar hacia el océano (brisa
de tierra)
Efectos locales de circulación
• El efecto de valle y montaña
Durante el día el aire se calienta
rápidamente en el valle y asciende por la
ladera de la montaña
Durante la noche la superficie de la
tierra se comienza a enfriar y las masas
de aire cercana a la superficie también.
Esto genera que las masas de aire frío
desciendan por la ladera de la montaña
hacia los valles.
Contaminación Atmosférica
Se define como la presencia de
ciertas substancias en el aire, en
concentraciones, niveles o
permanencia lo suficientemente
altos como para constituir un riesgo
a la salud, la calidad de vida de la
población, la preservación de la
naturaleza y/o la conservación del
patrimonio ambiental.
LEY Nº19.300, Título I, Articulo 2º
Contaminante: todo elemento, compuesto, sustancia, derivado químico o biológico, energía, radiación,
vibración, ruido, o una combinación de ellos, cuya presencia en el ambiente, en ciertos niveles,
concentraciones o períodos de tiempo, pueda constituir un riesgo a la salud de las personas, a la
calidad de vida de la población, a la preservación de la naturaleza o a la conservación del patrimonio
ambiental.
Contaminantes Atmosféricos
•
Puede ser un contaminante cualquier elemento, compuesto químico o material
de cualquier tipo, natural o artificial, capaz de permanecer o ser arrastrado
por el aire. Puede estar en forma de partículas sólidas, gotas líquidas, gases o en
diferentes mezclas de estas formas.
•
Algunos de los principales contaminantes atmosféricos son substancias que
se encuentran de forma natural en la atmósfera. Se considera contaminantes
cuando sus concentraciones son más elevadas que en la situación normal.
Orígenes de la contaminación atmosférica
•
La contaminación del aire ha sido un problema de salud desde el
descubrimiento del fuego. En la antigüedad, las personas encendían fogatas en
sus cuevas y cabañas y frecuentemente contaminaban el aire con humo nocivo.
•
El origen de los problemas modernos de contaminación del aire puede
remontarse a la Inglaterra del siglo XVIII y al nacimiento de la revolución
industrial.
•
La industrialización comenzó a predominar por sobre las actividades agrícolas
y las poblaciones se desplazaron del campo a la ciudad.
•
Las fábricas quemaban combustibles fósiles para producir energía, tales como
el carbón y el petróleo.
Orígenes de la contaminación atmosférica
•
•
La situación empeoró con la masificación del automóvil.
Con el tiempo, se presentaron episodios importantes de salud pública a causa
de la contaminación del aire en las ciudades.
•
•
Famoso el caso del episodio de smog de Londres de 1950’s
A contar de 1957 la Organización Mundial de la Salud (OMS) se comenzó a
preocupar por este tema, especialmente por sus efectos sobre la salud de las
personas.
•
En 1967 se comenzó a monitorear por primera vez la contaminación del aire
Contaminantes Atmosféricos
Contaminantes
Contaminantes
primarios
secundarios
naturales o antropogénicos
Emitidos directamente
por procesos
Generados a partir de
reacciones químicas en la
atmósfera a partir de
contaminantes primarios
Contaminantes primarios
Contaminantes secundarios
•
•
•
Material particulado (MPT, PM10).
Compuestos azufrados (SO2, TRS,
etc.)
• Compuestos nitrogenados (NO,
N2O, NH3).
• Óxidos de Carbono
(CO, CO2,)
• COV (Orgánicos volátiles)
•
•
•
•
Se generan por reacciones fotoquímicas
en la atmósfera (smog fotoquímico)
O3 (troposférico)
NO2
Material particulado
Sulfatos y nitratos
Contaminante Atmosférico
•
Natural: Contaminante emitido en forma natural, sin la intervención
del hombre
– volcanes
– Incendios naturales
– Aerosol marino
– Vientos (polvo)
– Actividades biológicas
•
Antropogénico: contaminante emitido por las actividades del hombre
– Uso de combustibles fósiles
– Actividades agropecuarias
– Modificación del paisaje
– Industrias
Fuentes de emisión de contaminantes atmosféricos
Fuentes fijas
(estacionarias)
Fuentes
puntuales
Fuentes
areales
Fuentes móviles
En vías y
caminos
Fuera de vías
Contaminantes criterio
•
Material particulado (MP10 y MP2.5)
•
Monóxido de carbono (CO)
•
Dióxido de azufre (SO2)
•
Dióxido de nitrógeno (NO2)
•
Ozono (O3)
•
Plomo (Pb)
MP10 = material particulado igual o menor a 10 micrómetros (µm) en tamaño
Componentes
Aire limpio
Aire contaminado
SO2
0.001-0.01 ppm
0.02-2 ppm
O3
20-40 ppb
100-200 ppb
CO
<1 ppm
5-200 ppm
NOx (NO2 – NO)
0.001-0.01 ppm
0.01-0.5 ppm
Material Particulado 10-30 µg/m3
70-700 µg/m3
Contaminantes Atmosféricos
•
Los efectos de la contaminación del aire sobre la salud humana varían
enormemente de persona en persona.
•
Los más afectados por la contaminación del aire son los ancianos, lactantes,
mujeres embarazadas y enfermos crónicos del pulmón y corazón.
•
Las personas que hacen ejercicios al aire libre también están propensas porque
respiran más rápido y profundamente, lo que permite un mayor ingreso de
contaminantes a los pulmones.
•
Los que ejercitan en áreas de gran tránsito se pueden estar causando más daño
que beneficio.
Material particulado respirable MP10 (material particulado ≤ 10 µm en díametro)
MP10
•
Asma
•
Dificultades respiratorias
•
Disminución de la
resistencia ante infecciones
respiratorias
•
Muerte
Efectos del MP10 en la salud de las personas
MP emitido de central
termoeléctrica a carbón
Fuente: Pope, et al. 1995. Particulate air pollution as a predictor of mortality in a prospective study of U.S.
adults. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 151:669-674
Dióxido de azufre
SO2
•
Irritación de la mucosa
•
Constricción bronquial
•
Asma
•
Dificultades respiratorias
Dióxido de nitrógeno
NO2
•
Asma.
•
Dificultades respiratorias.
•
Disminución de la
resistencia ante infecciones
respiratorias
Monóxido de carbono
Altas concentraciones: Muerte
CO
•
O2 y CO son transportados por la hemoglobina en el torrente sanguíneo.
•
Afinidad de la hemoglobina por CO= 200 veces que por el O2.
•
Limita la capacidad de transporte de O2 hacia las células (asfixia)
Ozono
O3
•
Oxidante
•
Irritación pulmonar
•
Asma
•
Dificultades respiratorias
•
Disminución de la
resistencia ante infecciones
respiratorias
Plomo
Pb
•
Metal toxico
•
Perturbación de hemoglobina y
anemia
•
Incremento de la presión
sanguínea o taquicardia
•
Daño a los riñones y en el
sistema urinario
•
Perturbación del sistema
nervioso y daño neurológico
•
Produce retardos mentales en
infantes.
También se puede introducir por
ingestión
Fuente: CONAMA 2005. Informe de Gestión de la Calidad del Aire. Gran Concepción
Más Contaminantes Atmosféricos
•
También existen otros tipos de clasificación de contaminantes dañinos para el
hombre, llamados Contaminantes Peligrosos del Aire
•
Los contaminantes peligrosos son compuestos cancerígenos y no cancerígenos
que pueden causar efectos serios e irreversibles en la salud de las personas.
•
Algunos países adoptan normas de calidad para controlar la emisión de estos
contaminantes peligrosos basadas en sus efectos para la salud.
Contaminantes Peligrosos del Aire, HAPS
•
•
•
•
•
•
•
•
Asbesto
Cloruro de vinilo
Benceno
Arsénico
Berilio
Mercurio
Radón
Radionúcleos diferentes del radón.
Tipos de Efectos Sobre los Seres Humanos y Otros Seres
Vivos
•
Efectos crónicos
•
Efectos agudos
•
Muerte prematura
Factores que influyen en la contaminación atmosférica y
calidad del aire
Condiciones que generan un problema de contaminación del aire/ calidad
del aire
1.
Tienen que existir fuentes que emiten contaminantes a la atmósfera
(natural + antropogénico)
2.
Los contaminantes emitidos tienen que estar de algún modo confinados a
un volumen de aire finito (restringido)
3.
El aire contaminado debe interferir/ afectar la calidad de vida de las
personas o el medio ambiente.
La condición Nº 2 ocurre debido a la topografía y principalmente a condiciones
meteorológicas que restringen la mezcla y dispersión de contaminantes
cercanos a la superficie.
Escala de contaminación
•
Urbana: smog fotoquímico
(CO, NO2, PM, O3, SO2, Pb)
•
Regional: deposición y lluvia ácida, problemas de visibilidad
(H2SO4, HNO3)
•
Global: Cambio climático y destrucción de la capa de ozono
(CFC’s, CO2, CH4)
Contaminación urbana
Smog fotoquimico
O3, NO2, PM, COV, Pb y otros
Contaminación urbana
Fuentes contaminantes
•
•
•
Transito vehicular
Industrias
Residenciales
Contaminación urbana
Transito vehicular
Aporta importantes cantidades:
•
MP
•
CO
•
NOx
•
COV
•
SO2 (diesel)
•
Pb (Gasolina con plomo)
•
Otros
Se agregaba plomo (Tetraetilo de plomo) a la gasolina como aditivo
Motor combustión interna
Contaminación por Transporte
Ciudad México, México
Población: ~ 19 millones (D.F. + C.M.)
Flota vehicular: > 3.5 millones (∼9 años de edad)
Contaminación por Transporte
Beijing, China
Población: ~12,8 millones
En agosto de 2007 se prohibió la circulación de más de 1 millón de vehículos particulares
para ver si esta medida puede bajar los índices de contaminación durante las próximas
Olimpiadas. La medida adoptada fue exitosa.
Fuente: CNN World
Fuente: Banco Mundial
Contaminación por Transporte
Santiago, Chile
Población: ~5,7 millones
Se pensaba que con la puesta en marcha del Transantiago los problemas
de contaminación del aire en la ciudad se solucionarían..
Santiago
Estación parque O´Higgins
OJO: Notar que la leyenda del gráfico esta incorrecta para las referencias
Fuente: INE- C H I L E - ME D IO AMB I E N T E • I N FORME A N U A L 2 0 0 5
Fuente: C H I L E - ME D IO AMB I E N T E • I N FORME A N U A L 2 0 0 5 INE
Contaminación urbana
Santiago, Chile
Fuente: Artaxo et al. 1999. Aerosol composition and source apportionment in Santiago de
Chile. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 150: 409 -416
Contaminación urbana
Industrias
Aporta importantes cantidades:
•
MP
•
CO
•
NOx
•
COV
•
SO2 (diesel y carbón)
•
Pb
•
TRS
•
Otros
Contaminación urbana
Industrias
Olores molestos
•
TRS
•
•
•
Ácido sulfhídrico (H2S)
Mercaptanos
Amonio
Problemas de MP10 y SO2 en la zona norte el país
Tocopilla, II Región
.
Problemas de MP10 en Tocopilla
Norgener
Electroandina
Fuente: DICTUC 2006. Análisis de la calidad del aire para MP-10 en Tocopilla
Problemas de MP10 en Tocopilla
Fuente: DICTUC 2006. Análisis de la calidad del aire para MP-10 en Tocopilla
Condición actual de la ciudad de Tocopilla
Excedencia estándar anual de material particulado respirable (MP10) durante el
periodo 2002, 2003, 2004. (>50 µg/m3)
Seremi de Salud, solicitó a la COREMA iniciar proceso para declarar zona
saturada por PM-10 a la ciudad de Tocopilla, en Septiembre de 2005.
Actualmente la zona circundante a la ciudad de Tocopilla se encuentran
declarada como Zona Saturada por Material Particulado Respirable MP10,
como concentración anual, a través del D.S. No 50/07 del MINSEGPRES.
Problemas de MP10 y SO2 en la zona norte el país
Chuquicamata, II Región
Antecedentes disponibles señalan que el área poblada cercana a la fundición se
encuentra saturada por los contaminantes anhídrido sulfuroso (SO2) y material
particulado respirable (MP10). En efecto, mediante D.S. Nº185 de 1991 del
Ministerio de Minería se declaró zona saturada está área para los contaminantes antes
mencionados.
Problemas de MP10 y SO2 en la zona norte el país
Chuquicamata, II Región
Fundición de Cobre división Chuquicamata CODELCO Chile
Problemas de MP10 y SO2 en la zona norte el país
Chuquicamata, II Región
Fuente: CONAMA 2006. Informe Seguimiento Plan de Descontaminación de Chuquicamata año 2005
Problemas de MP10 y SO2 en la zona norte el país
Chuquicamata, II Región
D.S. No. 206/01
Establece nuevo plan de
descontaminación para la
zona circundante a la
fundición Chuquicamata de
la División Chuquicamata de
Codelco chile
Fuente: CONAMA 2006. Informe Seguimiento Plan de Descontaminación de Chuquicamata año 2005
Problemas de MP10 y SO2 en la zona norte el país
Chuquicamata, II Región
Fuente: CONAMA 2006. Informe Seguimiento Plan de Descontaminación de Chuquicamata año 2005
Contaminación urbana
Combustión a leña residencial (Estufas y cocinas a leña)
Aporta importantes cantidades:
•
MP
•
CO
•
COV
•
Otros
Importante fuente de
contaminación en ciudades del
sur de CHILE
Contaminación urbana
Promedio 24-h MP10 Estación Las Encinas, Temuco 2006
300
250
Combustión de leña
200
150
100
50
br
e
br
e
m
m
ie
ov
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D
ic
N
br
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re
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M
M
Fe
br
e
E
ar
zo
0
ne
ro
Concentración MP10 (µg/m 3)
350
Fecha
Importante fuente de
contaminación en ciudades del
sur de CHILE
Contaminación urbana
Problemas con la combustión de leña
•
La leña, como combustible sólido, es el tercer combustible de
mayor importancia en el país después del petróleo y el gas natural,
no está
•
regulada en su calidad, y no posee institucionalidad con facultades
legales para ello.
•
El consumo de leña en Chile está concentrado en la zona sur del
país, donde constituye el principal combustible para calefaccionar
viviendas.
•
El año 2000 el 84% del consumo total de leña fue de bosque nativo.
Contaminación urbana
Problemas con la combustión de leña
Contaminación urbana
Problemas con la combustión de leña
Contaminación urbana
Problemas con la combustión de leña
Temuco y Padre Las Casas
Contaminación Regional
•
•
Precipitación ácida
Perdida de visibilidad
Contaminación del suelo
precipitación ácida
Luz, humedad
SO2, NOx H2SO4, HNO3
Estos nitratos y sulfatos se
combinan con el vapor de agua
para formar sustancias
acidificantes.
Se considera lluvia acida cuando
el pH < 5,6
Fuente:School of Earth and Atmospheric Sciences. Georgia Institute of Technology.
Perdida de la visibilidad, extinción de luz
Shenandoah Valley, US
Perdida de la visibilidad, extinción de luz
Gran Cañón, US
Las luces de las ciudades desde el espacio
Fuente: IPPC 2001
Contaminación global de la atmósfera
Fuente: IPPC 2001
Contaminación a Escala Global
•
•
Calentamiento global
Destrucción de la capa de ozono
Incrementos en los niveles de radiación UV-B en los últimos 10 años
Fuente US EPA