Contaminación Atmosférica: Capas del Aire, Tipos de Contaminantes y Reacciones Químicas

1. Fundamentos de la Contaminación del Aire

Contaminación del aire: Se define como la presencia de compuestos químicos o componentes anómalos en el aire cuyas concentraciones se han incrementado notablemente debido a la acción antropogénica.

Contaminante: Es toda materia o energía en cualquier estado físico o forma que modifica negativamente la composición y las condiciones naturales del medio ambiente.

Causas del problema:

• Desarrollo técnico e industrial acelerado.
• Introducción de compuestos desconocidos o sintéticos en el entorno.
• Desbalance sostenido en los ciclos de formación y remoción de gases contaminantes en la atmósfera.

Principales contaminantes: Partículas Suspendidas Totales (PST), dióxido de azufre (SO₂), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NO_x) e hidrocarburos (HC).

Factores de dispersión e impacto en la salud: Para determinar y predecir los efectos de la polución es fundamental el estudio de la meteorología y de la topografía local. Esto es crucial por sus repercusiones directas en el ser humano, provocando afecciones respiratorias severas como problemas bronquiales, asma y alergias.

2. Composición y Estructura de la Atmósfera

Composición del aire: El 95% de la masa del aire se concentra en los primeros 20 km de altura. Sus componentes principales son:

• Nitrógeno (N₂): 78%
• Oxígeno (O₂): 21% (interviene de forma crítica en la oxidación de hidratos de carbono, la combustión y la descomposición de materia orgánica)
• Argón (Ar): 0.94%
• Dióxido de carbono (CO₂): 0.03% - 0.04% (0.93% en mediciones globales de gases traza)

Capas Atmosféricas

• Troposfera: Es la capa más importante para los seres vivos, ya que contiene el aire que respiramos y en ella ocurren los fenómenos meteorológicos. Su altitud media es de 12 km (alcanza 19 km en el ecuador y desciende a 9 km en los polos). Concentra el 80% de la masa total de la atmósfera. En ella, la temperatura disminuye con un gradiente de 6.5 °C/km en atmósfera húmeda y 10 °C/km en atmósfera seca. Culmina en la tropopausa, donde la temperatura cesa de descender alrededor de los -55 °C.
• Estratosfera: Se extiende hasta aproximadamente los 50-60 km. En esta zona la temperatura asciende de 10 °C a 20 °C. Contiene la capa de ozono (O₃), con un espesor aproximado de 20 km y una concentración pico de 10 ppm entre los 30 y 35 km de altitud, cuya función principal es la absorción de la radiación ultravioleta (UV) e infrarroja.
• Mesosfera: Se sitúa hasta los 80 km de altitud. Se caracteriza por una disminución progresiva de la concentración de ozono y una caída de temperatura hasta los -70 °C. Representa apenas el 0.1% de la masa total del aire, pero es sumamente importante para los procesos de ionización y reacciones químicas energéticas.
• Termosfera: A partir de los 80 km y extendiéndose hacia los 200-500 km. La temperatura aumenta inicialmente a más de 500 °C por la absorción de radiación UV mediante el oxígeno molecular (O₂) y nitrógeno (N₂); al extenderse hasta los 500 km, la temperatura puede sobrepasar los 1000 °C. Está constituida por partículas con carga eléctrica originadas por la interacción con radiación UV, rayos gamma (γ) y rayos X, lo que induce una constante ionización.

Efecto de Inversión Térmica

Interrumpe el gradiente normal de temperatura atmosférica, limitando fuertemente la dispersión vertical y disparando el incremento de la concentración local de contaminantes. Se clasifica en dos tipos:

1. Inversión por asentamiento (o subsidencia).
2. Inversión por radiación (enfriamiento nocturno del suelo).

3. Clasificación y Fuentes de Contaminantes

Clorofluorocarbonos (CFC o Freones): Poseen una vida media atmosférica de 70 a 400 años. Los más comunes son el CFC-11 y el CFC-12 (con tiempos de permanencia de 60 y 110 años, respectivamente), además del CFC-113 y el CFC-114.

Contaminantes primarios: Aquellas sustancias vertidas directamente a la atmósfera desde las fuentes emisoras: SO₂, NO, CO, HC y PST.

Contaminantes Específicos

• Monóxido de carbono (CO): Altera la fisiología del transporte de oxígeno en sangre mediante la formación de carboxihemoglobina (COHb). Su formación natural se debe primordialmente a la oxidación del metano.
• Dióxido de azufre (SO₂): El 80% de su origen proviene de fuentes fijas de combustión y procesos industriales pesados (como las plantas cementeras). Presenta concentraciones de fondo normales de aproximadamente 1.75 ppb, mientras que en áreas rurales ronda los 8.75 ppb y en zonas urbanas asciende con frecuencia a 87.7 ppb.
• Óxidos de nitrógeno (NO_x): En la polución del aire destacan el monóxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO₂). Para el NO se reconocen tres mecanismos cinéticos de formación:
  1. Primer mecanismo (Térmico o Mecanismo extendido de Zeldovich): Formado a altas temperaturas:
     O₂ + N₂ → NO + N
     O₂ + N → NO + O
     N + OH → NO + H
  2. Segundo mecanismo (Del combustible): Ocurre de forma paralela a los procesos de desvolatilización y combustión del nitrógeno químicamente ligado en el combustible.
  3. Tercer mecanismo (Rápido o Prompt NO): Reacción a nivel de llama entre fragmentos de hidrocarburos y el nitrógeno molecular libre.
• Hidrocarburos (HC): Proceden primordialmente de la evaporación y combustión incompleta de combustibles fósiles. Se clasifican en:
  • Alifáticos: Alcanos (como el metano, CH₄), alquenos (olefinas) y alquinos.
  • Aromáticos: Compuestos que contienen al menos un anillo bencénico.

Partículas Suspendidas Totales (PST) y Formas Físicas

Las PST comprenden sustancias líquidas o sólidas dispersas, caracterizadas por sus propiedades físicas, químicas y biológicas:

• Aerosol: Dispersión de partículas microscópicas, sólidas o líquidas, en un medio gaseoso.
• Polvo: Partículas sólidas de tamaño coloidal en suspensión temporal en el aire.
• Ceniza fina: Partículas finamente divididas arrastradas por gases de combustión que contienen fracciones de combustible no quemado.
• Niebla: Aerosol visible constituido por diminutas gotas de agua condensada.
• Vapores: Fase gaseosa de sustancias normalmente líquidas o sólidas formadas por condensación, con tamaños considerados habitualmente mayores a 1 μm.
• Neblina: Pequeñas gotas líquidas en suspensión, de tamaño suficiente para precipitar por gravedad.
• Humo: Mezcla de partículas diminutas arrastradas por los gases de escape de una combustión.
• Hollín: Aglomeración de partículas microscópicas impregnadas de carbón, producto de la combustión incompleta de materia carbonosa.

4. Cinética Química y Mecanismos de Reacción en la Atmósfera

Formación y Ciclo del Ozono (O₃)

A. Formación Estratosférica

O₂ + hν → O• + O•
O• + O₂ → O₃

B. Formación Troposférica (Ciclo Antropogénico)

NO₂ + hν → NO + O•
O• + O₂ → O₃
NO + O₃ → NO₂ + O₂

Interacción de CO y Óxidos de Nitrógeno (NO_x)

O• + H₂O → 2OH•
CO + OH• + 2O• → CO₂ + HO₂•
HO₂• + NO → NO₂ + OH•
OH• + NO₂ → HNO₃

Oxidación de Formaldehído y NO_x

HCHO + hν → H₂ + CO
HCHO + OH• + O₂ → HO₂• + CO + H₂O
HO₂• + NO → NO₂ + OH•
OH• + NO₂ → HNO₃

Formación de Nitrato de Peroxiacetilo (PAN)

CH₃CHO + OH• → CH₃CO• + H₂O
CH₃CO• + O₂ + M → CH₃C(O)O₂• + M
CH₃C(O)O₂• + NO → CH₃C(O)O• + NO₂
CH₃C(O)O• → CH₃• + CO₂
CH₃C(O)O₂• + NO₂ ↔ CH₃C(O)OONO₂ (PAN)

Oxidación de Hidrocarburos (HC) en la Atmósfera

CH₄ + 4O₂ + 2NO + OH• → HCHO + 2O₃ + OH• + 2NO₂ + H₂O
CH₃CH₃ + 2NO + NO + O₂ → CH₃CHO + 2NO₂ + OH•
C₂H₄ + OH• + NO + 2O₂ → NO₂ + 1.44HCHO + 0.28HOCH₂CHO + OH•

Oxidación de Dióxido de Azufre (SO₂) a Sulfatos

2SO₂ + O₂ → 2SO₃
2SO₃ + H₂O → H₂SO₄
OH• + SO₂ → HOSO₂•
HOSO₂• + O₂ → HO₂• + SO₃
SO₃ + H₂O → H₂SO₄
HO₂• + NO → NO₂ + OH•
OH• + NO₂ → HNO₃