Aerosol

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Contaminación por aerosol en India septentrional y Bangladés.

En ingeniería ambiental, se denomina aerosol a un coloide de partículas solidas o líquidas suspendidas en un gas. El término aerosol se refiere tanto a las partículas como al gas en el que las partículas están suspendidas. El tamaño de las partículas puede ser desde 0,002 µm a más de 100 µm, esto es, desde unas pocas moléculas hasta el tamaño en el que dichas partículas no pueden permanecer suspendidas en el gas al menos durante unas horas.[1]  La notación PM (del inglés particulate matter, materia particulada) se utiliza para referirse a las partículas suspendidas que forman parte del aerosol. La notación PM10 se refiere a las partículas que pasan a través de un cabezal de tamaño selectivo para un diámetro aerodinámico de 10 μm con una eficiencia de corte del 50%, mientras para que PM2,5 representa partículas de menos de 2,5 µm de diámetro aerodinámico.[1] De forma análoga pueden utilizarse otros valores numéricos.

La generación de aerosoles puede ser de origen natural o debida a la actividad humana. Algunas partículas se dan de manera natural, las cenizas volcánicas, las tormentas de polvo, los incendios forestales y de pastizales, y la pulverización de agua marina. Las actividades humanas, como la quema de combustibles y la alteración de la superficie terrestre también generan aerosoles. En términos globales, los aerosoles artificiales generados por las actividades humanas, representan aproximadamente el 10%[cita requerida] del total de aerosoles en nuestra atmósfera.

Origen y composición[editar]

Los aerosoles atmosféricos pueden ser originados de forma natural o antropogénica. Algunas de estas partículas son emitidas directamente a la atmósfera (emisiones primarias) y otras son emitidas como gases que al reaccionar forman partículas en la atmósfera (emisiones secundarias). La composición de las partículas de un aerosol depende de la fuente donde son generadas.

Las mayores fuentes naturales son los volcanes, las tormentas de polvo y los incendios forestales y de pastizales. La pulverización de agua marina también es una gran fuente de aerosoles aunque la mayoría de estos caen al mar cerca de donde fueron emitidos.

La mayor fuente de aerosoles debida a la actividad humana es la quema de combustibles en motores térmicos para el transporte y en centrales termoeléctricas para la generación de energía eléctrica, además del polvo generado en las obras de construcción y otras zonas de tierra donde el agua o la vegetación ha sido removida.

La composición química de los aerosoles afecta directamente a la forma en que interactúa la atmósfera con la radiación solar. Los componentes químicos de los aerosoles alteran el índice de refracción global de la atmósfera. El índice de refracción determina la cantidad de luz que es dispersada y la que es absorbida.

Pulverización de agua marina[editar]

La pulverización del agua marina es considerada como la segunda fuente más importante de aerosoles a nivel global. Las partículas procedentes de la pulverización del agua marina tienen la misma composición que el agua del mar: agua y sustancias como cloruro sódico, sales de magnesio, calcio, potasio y sulfatos. Además los aerosoles de origen marino pueden contener compuestos orgánicos. Estos aerosoles no absorben la luz solar.

Polvos minerales[editar]

Los polvos minerales son aerosoles atmosféricos originados por la la erosión de la corteza terrestre y su posterior dispersión en el aire. Están constituidos principalmente de óxidos (SiO 2, Al2O3, FeO, Fe2O3, CaO, y otros) y carbonatos (CaCO3, MgCO3) que constituyen la corteza terrestre. Estos aerosoles absorben la luz solar.

Las emisiones de polvos minerales a nivel mundial se estiman en 1000-5000 millones de toneladas por año,[2] de las cuales la mayor parte se atribuye a los desiertos. El desierto del Sáhara es la principal fuente de polvo mineral, que es dispersado en el mar Mediterráneo y el Caribe hacia el norte de América del Sur, América Central, América del Norte y Europa. El desierto de Gobi es otra gran fuente de polvo mineral, que afecta a Asia oriental y al oeste de América del Norte.

Aunque este tipo de aerosoles generalmente se considera de origen natural, se estima que alrededor del 30%[cita requerida] de la carga de polvos minerales en la atmósfera podría atribuirse a las actividades humanas a través de la desertificación y la utilización indebida de tierras.

Compuestos de azufre y de nitrógeno[editar]

Las partículas secundarias se derivan de la reacción de los gases primarios, como los óxidos de nitrógeno (NOx) y de azufre en ácido nítrico (gaseoso) y ácido sulfúrico (líquido). La generación de la materia a partir de la cual se originan los aerosoles secundarios, puede ser de origen antropogénico (a partir de la combustión de combustibles fósiles) o de origen biogénico natural. En presencia de amoníaco, los aerosoles suelen adoptar la forma de sales de amonio, principalmente sulfato de amonio y nitrato de amonio, secos o en solución acuosa. En ausencia de amoníaco, los compuestos secundarios toman forma de ácido como ácido sulfúrico (aerosoles de gotas de líquido) y ácido nítrico (gas en la atmósfera) por la combinación con el vapor de agua de la atmósfera. Los aerosoles de sulfatos y nitratos son fuertes dispersores de la luz.[3]

Merece especial atención el N2O, que transmite la radiación de alta frecuencia pero refleja la radiación de baja frecuencia.

Materia orgánica[editar]

Los aerosoles de materia orgánica pueden ser primarios o secundarios. Los secundarios se derivan de la oxidación de compuestos orgánicos volátiles (COV, o VOC del inglés Volatic Organic Compounds). El material orgánico en la atmósfera puede ser de origen biogénico o antropogénico. Los aerosoles de materia orgánica influyen en el comportamiento de la atmósfera ante la radiación, algunos dispersándola y otros absorbiéndola.

Otro tipo importante de aerosol lo constituye el carbono elemental (también conocido como negro de carbono). Este tipo de aerosoles tienen una alta absortancia de la luz y se cree que favorecen el efecto invernadero.

El metano (CH4) no forma aerosoles pues es un gas, pero es uno de los gases de efecto invernadero considerados en el protocolo de Kyoto. En algunas estadísticas se distinguen las emisiones de compuestos orgánicos volátiles excluyendo el metano como NMVOC (del inglés Non-Methane Volatile Organic Compounds).

Permanencia de las partículas en suspensión[editar]

En general, cuanto más pequeña y ligera sea una partícula, más tiempo se quedará suspendida en el aire. Las partículas más grandes (de más de 10 μm de diámetro) tienden a caer por gravedad en cuestión de horas, mientras que las partículas más pequeñas (de menos de 1 μm de diámetro) pueden permanecer en la atmósfera durante semanas y en su mayoría se eliminan por las precipitaciones[cita requerida].

Cambios radiactivos de los aerosoles[editar]

Reducción de la radiación solar debido a erupciones volcánicas.

Los aerosoles, naturales y antropogénicos, pueden afectar al clima cambiando el modo en el que la radiación electromagnética se transmite a la atmósfera. Las observaciones directas de los efectos de los aerosoles son bastante limitadas, por lo que cualquier intento por estimar su efecto global implica necesariamente el uso de modelos computarizados. El Panel Intergubernamental del Cambio Climático, IPCC (por sus siglas en inglés), dice: Mientras que los cambios radiativos debidos a los gases de efecto invernadero se pueden determinar con un alto grado de precisión [...] las incertidumbres relacionadas con los cambios radiativos debidos a los aerosoles siguen siendo grandes, y dependen en gran medida de las estimaciones de los estudios de modelos mundiales, que son difíciles de verificar en la actualidad.[4]

Aquí hay disponible un gráfico que muestra las contribuciones (para 2000, comparado con 1750) y las incertidumbres de varios cambios.

Actualmente la red MPLNET, gestionada por la NASA, es capaz de medir continuamente determinando la distribución de aerosoles y nubes en la atmósfera en diferentes localizaciones. El objetivo perseguido es caracterizar la evolución a largo plazo de los aerosoles y refinar así los modelos de evolución del clima terrestre.

Aerosol de sulfato[editar]

Un aerosol de sulfato tiene dos efectos principales, uno directo y otro indirecto. El efecto directo, a través del albedo, tiende a enfriar del planeta: el valor más esperado del forzamiento radiativo según el IPCC es de -0.4 W/, con un intervalo de confianza de -0.2 a -0.8 W/m².[5] Sin embargo, existen incertidumbres importantes.

El efecto varía significativamente con la localización geográfica, con la mayoría del efecto de refrigeración posiblemente situado a sotavento de los principales centros industriales. Los modelos climáticos modernos que tratan de calcular la atribución de los cambios climáticos recientes deben incluir efectos de los sulfatos, que parecen contribuir, al menos en parte, al ligero descenso de la temperatura mundial en la mitad del siglo XX. El efecto indirecto (por la acción de los aerosoles como núcleos de condensación de nubes, modificando por lo tanto las propiedades de las nubes) es más incierto, pero se cree que es un efecto de enfriamiento.

Carbón Negro[editar]

El carbón negro está compuesto de agrupaciones de carbón que forman pequeñas esferas y es uno de los tipos más importantes de aerosoles de absorción en la atmósfera. Debe distinguirse del carbono orgánico que forma parte de las moléculas orgánicas. La contribución del negro de carbón procedente de combustibles fósiles ha sido estimada por el IPCC en el Cuarto Informe de Evaluación del IPCC con un forzamiento radiativo global esperado de +0,2 W/m² (fue +0,1 W/m² en el segundo informe de evaluación El IPCC), con un intervalo de confianza de +0,1 a +0,4 W/m².

Efectos sobre la salud[editar]

Estación de medición de contaminación en Emden, Alemania.

Los efectos sobre la salud de la inhalación de partículas en suspensión han sido ampliamente estudiados en animales y en el ser humano. Algunos de estos efectos son asma, cáncer de pulmón, problemas cardiovasculares, y muerte prematura. El tamaño de las partículas es uno de los principales determinantes de que estas entren en las vías respiratorias por inhalación. Las partículas más grandes generalmente se filtran en la nariz y en la garganta y no causan problemas, pero las partículas de menos de unos 10 micrómetros (PM10) pueden instalarse en los bronquios y en los pulmones y causar problemas de salud. El tamaño de 10 micrómetros no representa una frontera estricta entre partículas respirables y no respirables, pero es un tamaño aceptado por la mayoría de los organismos reguladores para el seguimiento de las partículas en suspensión en el aire. Del mismo modo, las partículas de menos de 2.5 micrómetros (PM2,5) tienden a penetrar en el de intercambio de gases de las regiones del pulmón, y las partículas muy pequeñas (<100 nanómetros) pueden pasar a través de los pulmones y afectar a otros órganos. En particular, un estudio publicado en el Journal of the American Medical Association (Diario de la Asociación Médica Americana) indica que las PM2,5 tienden a formar depósitos en las arterias, causando inflamaciones vasculares y la arteriosclerosis, un endurecimiento de las arterias que reduce su elasticidad, lo cual puede conducir a ataques cardiacos y otros problemas cardiovasculares[6] Los investigadores sugieren que la exposición a altas concentraciones incluso a corto plazo puede contribuir considerablemente al desarrollo de enfermedades de corazón.

También hay pruebas de que las partículas de tamaño inferior a 100 nanómetros pueden atravesar las membranas celulares. Por ejemplo, las partículas pueden migrar en el cerebro. Se ha sugerido que las partículas pueden causar daños en el cerebro similares a los encontrados en pacientes con Alzheimer. Las partículas emitidas por los motores modernos de gasóleo (comúnmente conocida como materia particulada de diésel (Diésel Particulate Matter o DPM en inglés) tienen comúnmente tamaños en torno a los 100 nanómetros (0,1 micrómetros). Además, estas partículas de hollín pueden transportar componentes potencialmente carcinógenos, como los benzopirenos, adsorbidos en su superficie. Cada vez es más evidente que aquellos límites legislativos para los motores que se establecen en términos de masa de emisiones no constituyen una medida adecuada de los peligros para la salud. Una partícula de 10 µm de diámetro tiene aproximadamente la misma masa que 1 millón de partículas de 100 nm de diámetro, pero es evidente que es mucho menos peligrosa, ya que es poco probable que entre en las vías respiratorias de un cuerpo humano y si lo hiciera sería eliminada rápidamente. Existen propuestas de nuevos reglamentos en algunos países, con propuestas para limitar el área superficial de las partículas o el número de partículas.

La relación entre un mayor número de muertes y de enfermedades con la polución por partículas fue demostrada por primera vez a principios de los años 1970[7] y se ha demostrado varias veces desde entonces. Se estima que la polución por partículas causa entre 22.000 y 52.000 muertes al año en Estados Unidos (desde 2000).[8]

Referencias[editar]

  1. Directiva 1999/30/CE del Consejo de 22 de abril de 1999 relativa a los valores límite de SO2, NO2 y NOx, partículas y Pb en el aire ambiente DOUE L 163 de 29.6.1999
  2. Climate Change 2001: Working Group I: The Scientific Basis. Chapter 5. Aerosols, their Direct and Indirect Effects (en inglés) IPCC
  3. Informe del IPCC
  4. Climate Change 2001:Working Group I: The Scientific Basis. 6. Radiative Forcing of Climate Change. 6.7.8 Discussion of Uncertainties (en inglés) IPCC
  5. Climate Change 2001:Working Group I: The Scientific Basis. 6. Radiative Forcing of Climate Change. 6.7.2 Sulphate Aerosol (en inglés) IPCC
  6. Pope, Arden C; et al. (2002). «Cancer, cardiopulmonary mortality, and long-term exposure to fine particulate air pollution». Journal of the American Medical Association 287:  pp. 1132-1141. http://jama.ama-assn.org/cgi/reprint/287/9/1132?maxtoshow=&HITS=10&hits=10&RESULTFORMAT=&fulltext=Particulate&searchid=1&FIRSTINDEX=0&resourcetype=HWCIT. 
  7. Lave, Lester B.; Eugene P. Seskin (1973). «An Analysis of the Association Between U.S. Mortality and Air Pollution». J. Amer. Statistical Association 68:  pp. 342. 
  8. Mokdad, Ali H.; et al. (2004). «Actual Causes of Death in the United States, 2000». J. Amer. Med. Assoc. 291 (10):  pp. 1238.