Cuestionario 1
1- ¿Qué gases constituyen la
mayor parte de la atmósfera de la tierra?
La mayor parte de la
atmósfera está constituida principalmente por nitrógeno molecular N2
y oxígeno molecular O2, y en menor cantidad por argón Ar y dióxido
de carbono CO2 y otros gases.
2- ¿Qué rango de altitudes comprende la
tropósfera? ¿Y las demás capas?
La tropósfera comprende la zona que se
extiende desde la superficie terrestre hasta una altitud variable de entre 6 km
en las zonas polares, y entre 18 y 20 en las zonas interpolares.
La estratósfera se extiende desde los 9 o 18
km, desde la tropósfera, hasta los 50 km de altitud. En esta capa se encuentra
la “ozonósfera” que comprende desde los 15 a los 40 km de altitud.
La mesósfera va desde los 50 km hasta los
80km aproximadamente.
La termósfera ocupa desde entre los 70 y 90
km donde termina la mesósfera hasta los 600 km de altura.
Y por último, la exósfera alcanza los 10.000
km de altura, partiendo desde la termósfera.
3- Graficar las variaciones de
temperatura en función de la altitud, en el gráfico mudo del archivo sobre
atmósfera.
4- Describir las principales
características de cada capa.
Tropósfera:
Esta capa contiene la mayoría de los gases de la atmósfera. Concentra el 85% de
la masa. A los 500 metros
iniciales se les denomina capa sucia, debido a que allí se concentra el polvo
en suspensión procedente de los desiertos, los volcanes y la contaminación.
Este polvo actúa como núcleos de condensación que facilitan el paso del vapor
de agua atmosférico a agua líquida. La tropósfera contiene prácticamente todo
el vapor de agua atmosférico. Además, existen importantes flujos convectivos de
aire, verticales y horizontales, producidos por las diferencias de presión y
temperatura que dan lugar a los fenómenos meteorológicos (precipitaciones,
viento, nubes).
El aire de la
troposfera se calienta a partir del calor emitido por la superficie terrestre.
La temperatura de la tropósfera es máxima en su parte inferior, alrededor de 15
º C de media, y a partir de ahí comienza a descender con la altura según un
Gradiente Térmico Vertical (GTV) de 6,5 ºC de descenso cada Km que se asciende en
altura (la temperatura baja 0,65
ºC cada 100
m de altura) hasta llegar a -70 ºC aproximadamente en el
límite superior de la tropósfera, es decir, la tropopausa.
Estratósfera:
Se extiende desde la tropopausa hasta los 50 Km de altura, límite de la estratósfera
llamado estratopausa. En esta capa se genera la mayor parte del ozono
atmosférico, el cual se concentra entre los 15 y 35 Km de altitud, estando su
máxima concentración entre los 20 y 25 Km . Por dicha razón, esta zona de la
estratósfera se denomina capa de ozono u ozonósfera.
La temperatura
asciende con la altura hasta llegar próximo a los 0 ºC en la estratopausa. Este
incremento de temperatura está relacionado con la absorción por el ozono de la
radiación solar ultravioleta, por lo que esta capa actúa como pantalla
protectora frente a los perjudiciales rayos ultravioleta. Así mismo, dentro de
esta capa hay movimientos horizontales de aire, pero no verticales como sucede
en la tropósfera, tampoco hay presencia de nubes, ni viento, pero si buena
visibilidad. Estas características son sumamente favorables para el
aprovechamiento de la aeronavegación.
Mesosfera:
se extiende hasta los 80 Km .
de altura. La temperatura disminuye hasta alcanzar los 90 °C bajo cero, donde su
límite superior es llamado mesopausa. Algunos autores dicen que en esta capa se
desintegran los meteoritos por el rozamiento con las partículas de la mesosfera
produciéndose las llamadas estrellas fugaces, pero otros autores
responsabilizan de este fenómeno a la termosfera donde se alcanzan temperaturas
muy altas.
Su principal
característica es que produce efectos de ionización. Es decir, gran parte de
las moléculas presentes en esta capa están ionizadas por la absorción de las
radiaciones solares de alta energía (rayos gamma, rayos X y parte de la
radiación ultravioleta), provocando que el nitrógeno y el oxígeno pierdan
electrones quedando ionizados con carga positiva; los electrones desprendidos
originan campos eléctricos por toda la capa. Por esta razón hay una mayor
cantidad de iones que moléculas en la mesosfera. Algunas de las reacciones que
se producen son las siguientes:
O2
---------> O2+
+ 1e-
NO
----------> NO+ + 1e-
Es importante conocer
que la radiación ultravioleta cuenta de tres rangos:
UV c
UV b Energía creciente
UV a
La UV c tiene escaso alcance sobre la tierra, debido a que es filtrada por el ozono y el oxígeno.
La capa D es la zona dentro de la mesosfera en la cual hay una mayor concentración de iones, algunos autores la llaman ionosfera. Debido a que es sobre todo una respuesta a la radiación solar, desaparece durante la noche. Esta zona es muy utilizada para las telecomunicaciones.
La interacción de las partículas subatómicas procedentes del Sol con los átomos ionizados da lugar a fenómenos luminosos llamados auroras polares (aurora boreal en polo norte y aurora austral en polo sur) que suceden cerca de los polos magnéticos.
Termósfera: La temperatura en esta capa de la atmósfera va ascendiendo en altura al absorber las radiaciones de alta energía, y al aproximarse cada vez más al sol. Si el este está activo, las temperaturas pueden llegar a 1.500° C y aún más altas. Allí existe escasa cantidad de moléculas de gas y las mismas se encuentran ampliamente separadas.
5- Unidades de uso ambiental.
Convertir una concentración de 32 ppmm de cualquier contaminante a: a) ppm
b) moléculas por cm3
c) molaridad
Considerar una temperatura
de 25°C y una presión total de 1 atm.
a) 32 ppm: 32
moléculas de contaminante en mil millones de moléculas de aire. El contaminante
es óxido nítrico: NO.
1 x 109 molec. de aire __________ 32
molec. NO
1 x
106 molec. de aire __________ X = 0,032 molec. de NO
Es decir: 32
ppmm = 0,032 ppm
b) Sabemos que 22,4 lt
de un gas es igual a 22.400 cm3, y contiene 6,02 x 1023
moléculas del gas.
6,02 x 1023 molec. aire __________
22.400 cm3
1 x 10 9 molec. de aire __________ X = 3,7 x 10 -11 cm3
3,7 x 10 -11 cm3 o 3,7 X 10-4
lt es el volumen que ocupan mil millones de moléculas de aire.
3,7 x 10 -11 cm3 de aire
_________ 32 molec. de NO
1 cm3 de aire _________ X = 8,6 x 10 11molec. de NO
Es decir: 8,6
x 1011 molec de NO por cm3
c) Gas contaminante:
óxido nítrico, NO. Masa = 30 gr.
6,02 x 1023 molec. NO __________ 1 mol
32 molec.
NO __________ X = 5,3 x 10-23
moles
M = 5,3 x 10-23 moles
3,7
X 10-4 lt
M = 1,4 x 10-9
M
6- Convertir una concentración de 6 x 10-4 moléculas
por cm3, a la escala de ppm y a la de moles por litro (molaridad). Suponer una
temperatura de 25°C y una presión total de 1 atm.
7- Explicar por qué la densidad
del ozono es máxima alrededor de los 25 km de altitud.
Durante el día, el ozono se forma constantemente
mediante este proceso, cuya velocidad depende de la cantidad de luz UV y de la
concentración de átomos y moléculas de oxígeno a una determinada altitud. Al
pie de la estratósfera, la abundancia de O2 es mayor que en lo alto,
debido as que la densidad aumenta progresivamente a la que uno se aproxima a la
superficie. Sin embargo, se disocia poco ozono, ya que prácticamente toda la
luz UV solar de alta energía ha sido filtrada antes de llegar a esta altitud.
Por esta razón, la capa de ozono no se extiende demasiado por debajo de la
estratósfera, e incluso el ozono presente en la estratósfera baja se forma a
altitudes mas elevadas y es transportado allí.
En contraste, en la parte superior de la
estratósfera, la intensidad de UV-C es mayor pero el aire es mas ligero, por
tanto, se produce relativamente poco ozono, ya que los átomos de oxígeno
colisionan y reaccionan entre ellos, antes que con las pocas moléculas de O2
que existen intactas.
En consecuencia, la densidad del ozono alcanza un
máximo allí donde es máximo el producto de la intensidad de UV-C y la
concentración de O2. Esta máxima densidad del ozono tiene lugar a
los 25 km de altura en zonas tropicales, 21 km sobre latitudes medias, y 18 km
en las regiones subárticas.
8- Escribir la ecuación de la
reacción por la que el ozono se forma en la estratósfera.
Encima de la estratósfera, el aire es muy ligero y
la concentración de moléculas es tan baja que la mayor parte del oxígeno está
en forma atómica, habiéndose formado por disociación del O2 a partir
de los fotones UV-C de la luz solar. La colisión final entre átomos de
oxígeno conduce a la nueva formación de
moléculas de O2, las cuales,
después de absorber más luz solar, otra vez se disocian fotoquimícamente.
En la misma estratósfera, la intensidad dela luz
UV-C es mucho menor, ya que gran parte es filtrada por el oxígeno que se
encuentra encima, y puesto que el aire es mas denso, la concentración de
oxígeno molecular es mucho mayor. Por esta combinación de razones, la mayor
parte del oxígeno estratosférico está como O2 en lugar de oxígeno
atómico. Puesto que la concentración de oxígeno atómico es tan pequeña, el
destino más probable es sui posterior colisión con moléculas intactas de
oxígeno no disociadas, dando lugar a la formación de ozono:
O2 +
O -----------> O3
+ calor
9- Escribir por lo menos dos
reacciones (catalizadas y no catalizadas) que contribuyan más
significativamente a la destrucción del ozono en la estratósfera.
- Algunas reacciones no
catalizadas que contribuyen significativamente ala destrucción de la capa de
ozono son:
a) La absorción de un fotón de UV-C o UV-B por una molécula de O3
en la estratósfera da lugar a la descomposición de esta molécula, y esto da
cuenta de la mayor parte de la destrucción del ozono en esta región de la
atmósfera.
La reacción es:
O3 +
fotón UV -----------> O2
+ O
Los átomos de oxígeno producidos se encuentran en un estado
electrónicamente excitado.
b) Algunos átomos de oxígeno reaccionan con moléculas de ozono para formar
oxígeno molecular.
O3 + O
-----------> 2 O2
- En cuanto a las
reacciones catalizadas, existe un número de especies atómicas y moleculares,
designadas como “X”, que reaccionan de forma eficiente con el ozono mediante la
abstracción (remoción) de un átomo de oxígeno.
O3 +
X -----------> O2 + XO
En regiones donde la
concentración de oxígeno atómico es apreciable, las moléculas de XO reaccionan
con estos átomos de oxígeno para formar O2 y regenerar X.
XO +
O -----------> O2 + X
Químicamente estos
catalizadores “X” son radicales libres, los cuales son muy reactivos. Algunos ejemplos
son:
a) El radical libre óxido nítrico (NO∙) actúa como catalizador, producto de
la descomposición del óxido nitroso:
N2O + O* -----------> 2 NO∙
El mecanismo por el cual
esta molécula destruye el ozono es:
NO∙ + O3 -----------> NO2∙ + O2
NO2∙ +
O -----------> NO∙
+ O2
O3 + O -----------> 2 O2
b) Otra reacción de destrucción catalizada se produce con el radical libre
OH∙. Este radical se origina en la
estratósfera a partir de la reacción entre los átomos de oxígeno excitados con
moléculas de agua o metano.
O* + CH4 -----------> OH∙
+ CH3
El mecanismo de destrucción es:
OH∙ + O3 -----------> HOO∙
+ O2
HOO∙ +
O -----------> OH∙
+ O2
O3 + O -----------> 2 O2
10- Definir el término
“sumidero” troposférico.
Se entiende por sumidero a “cualquier proceso,
actividad o mecanismo que absorbe un gas de efecto invernadero, un aerosol o un
precursor de un gas de efecto invernadero de la atmósfera”. Por lo tanto un
sumidero troposférico es aquel en el que dicha acción se desarrolla en la
tropósfera.
En
las últimas décadas se descubrió que muchos compuestos sintéticos no presentan
un sumidero troposférico, es decir, que no se descomponen por la oxidación de
los gases atmosféricos, ni se disuelven en el agua de lluvia, ni son atacados
por radicales hidroxilo, ni se descomponen fotoquímicamente por acción de la
luz visible o la radiación UV-A. Estos compuestos son muy estables químicamente
por lo que vagan durante años por la tropósfera, difundiéndose poco a poco a la
estratosfera donde se rompen por acción de la radiación UVC, pero pueden
permanecer allí mucho tiempo, tal es así que algunos pueden permanecer entre 50
y 100 años.
Entre
estos compuestos están los conocidos clorofluorocarbonos (CFC’s), los cuales
presentan sólo átomos de C, F y Cl en su constitución química. Así, compuestos
como el CFCl3 (CFC-11) y el CF2Cl2 (CFC-12) se han empleado en la formación de
espumas y como propelentes de aerosol en sprays. Otro de los CFC’s que son
preocupantes desde el punto de vista ambiental es el CF2Cl—CFCl2 (CFC-113),
utilizado como desengrasante.
11- ¿Qué es la Unidad Dobson?
La cantidad total de ozono atmosférico en cualquier
lugar se expresa en términos de Unidades Dobson (UD). Esta unidad
equivale a un espesor de 0,01 mm de ozono puro a la densidad que tendría si se
encontrase a la presión de 1 atm y a una temperatura de 0 °C. La cantidad
normal de ozono atmosférico a latitudes templadas es de 350 UD; por lo tanto,
si todo el ozono se llevase a nivel del suelo, la capa de ozono puro alcanzaría
solo 3,5 mm de espesor.
12- Calcular la masa de ozono total presente en una columna de 1 dm3de
superficie terrestre.
13- ¿Qué significa smog fotoquímico? ¿Cuáles son
los reactivos iniciales en el proceso?
La palabra smog proviene de la contracción de lasa
palabras inglesas smoke (humo) y fog (niebla).
El smog es el mejor ejemplo de contaminación del
aire, donde se producen niveles relativamente altos de ozono a nivel del suelo
como resultado de reacciones inducidas por la luz entre los contaminantes,
proceso conocido como smog fotoquímico.
El proceso de formación de smog involucra
centenares de reacciones diferentes, que a su vez implican docenas de
compuestos químicos actuando simultáneamente.
Los principales reactivos originales en un episodio
de smog fotoquímico son el óxido nítrico, NO, los hidrocarburos no quemados que
se emiten al aire, y compuestos orgánicos volátiles (COVs). El otro ingrediente
vital en un episodio de este tipo es la luz solar, la cual sirve para
incrementar la concentración de radicales libres que participan en los procesos
químicos de formación de smog.
Los productos finales del smog son ozono, ácido
nítrico y compuestos orgánicos.
COVs
+ NO + O2 + luz
solar -----------> O3
+ HNO3 +
compuestos orgánicos
Las sustancias como el
óxido nítrico, hidrocarburos y otros COVs que se emiten inicialmente al aire se
denominan contaminantes primarios.
14- Dé ejemplos de
contaminantes secundarios.
Aquellas sustancias que se
forman como productos del smog fotoquímico se denominan contaminantes
secundarios, y pueden ser ozono,
ácido nítrico, y otros compuestos orgánicos.
15- ¿Cuáles son las fuentes antropogénicas del SO2?
La principal fuente antropogénica del SO2
es la combustión del carbón, un sólido que, dependiendo del área geográfica de
donde provenga, contiene entre 1 y 9 % de azufre.
16- Definir el término aerosol.
¿Cuáles son los efectos biológicos del material particulado?
El
término partícula o material particulado atmosférico se refiere a cualquier
sustancia, a excepción del agua pura, presente en la atmósfera en estado sólido
o líquido por causas naturales o antropogénicas. En general, los términos
aerosol y partícula se utilizan indistintamente, definiéndose los aerosoles
como suspensiones relativamente estables de partículas sólidas y líquidas en un
gas. Por tanto, la diferencia radica en la consideración añadida del medio
gaseoso que contiene las partículas.
La materia particulada incluye tanto las partículas en suspensión como aquellas con un diámetro aerodinámico superior a20 mm denominadas partículas sedimentables, que
se caracterizan por permanecer en un corto periodo de tiempo en la atmósfera.
Los aerosoles desempeñan un papel importante en la atmósfera, principalmente en la condensación de gotas de agua y cristales de hielo, en varios ciclos químicos y en la absorción de la radiación solar.
La materia particulada incluye tanto las partículas en suspensión como aquellas con un diámetro aerodinámico superior a
Los aerosoles desempeñan un papel importante en la atmósfera, principalmente en la condensación de gotas de agua y cristales de hielo, en varios ciclos químicos y en la absorción de la radiación solar.
Entre las fuentes naturales de
aerosoles se encuentran las partículas de sal procedentes de la espuma del mar,
el polvo o las partículas de arcilla procedentes de la erosión de las rocas,
entre otros.
Las
actividades humanas también dan origen a ciertos aerosoles, que con frecuencia
se consideran contaminantes. Mayoritariamente se generan en zonas industriales
o urbanas donde la principal fuente de emisión, es debida a los motores de los
vehículos, la erosión del pavimento, frenos y neumáticos. Dentro del ámbito
industrial las fuentes de emisiones son
derivadas de la combustión de productos fósiles, la fundición de metales como
cobre o cinc, y la producción de cemento, cerámica y ladrillos entre otros. La
agricultura también representa una fuente considerable de emisión de partículas
debido al movimiento de tierras y la quema de biomasa.
La exposición a material particulado en el aire
ambiente supone unos de los principales riesgos para la salud humana en el
ámbito de la contaminación atmosférica. Para la determinación de sus efectos es
fundamental la distribución de tamaños, ya que las partículas más pequeñas penetran
con mayor facilidad en los alvéolos pulmonares, y la composición química de las
mismas, que determina diferentes niveles de toxicidad.
Además de sus efectos sobre la salud, el material
particulado es capaz de ejercer una marcada influencia en nuestro entorno desde
una escala global, por su influencia en el cambio climático, hasta una más
local, asociada a la reducción de la visibilidad. Asimismo, las partículas son
también responsables de la degradación de los edificios y los monumentos
históricos y de la alteración de los ecosistemas.
El material particulado influye en el balance
radiactivo absorbiendo o dispersando la radiación solar, procesos que influyen
directamente en el clima global de la Tierra. Pese a que en un principio no era
tenido en cuenta en los modelos de análisis de cambio climático, actualmente se
considera que su influencia es tan importante como la de los gases de efecto
invernadero, si bien a una escala menor debido a su pequeño tiempo de
residencia en la atmósfera.
Respecto a los efectos del material particulado sobre
los ecosistemas éstos pueden resultar positivos o negativos, lo cual será
función de la concentración y características físico-químicas de dicho
material. El depósito de partículas ácidas puede inducir efectos negativos en
la superficie terrestre y en la vegetación, tales como acidificación y
eutrofización. La deposición de partículas sobre las plantas puede dañar la
superficie de las mismas y reducir su capacidad fotosintética, lo que deriva en
un menor crecimiento.
Bibliografía
· Colin Baird. Química Ambiental. Editorial Reverté S.
A. Barcelona. 2001
Aclaración: Los puntos resaltados son los faltantes
