Contaminacin Atmosfrica Captulo 2 Principales Contaminantes

1
Contaminación AtmosféricaCapítulo 2Principales
Contaminantes
2
(No Transcript)
3
(No Transcript)
4
Influencia de los contaminantes
5
Fuentes de los contaminantes
6
Fuentes naturales
7
Las principales fuentes naturales de los
contaminantes
La actividad volcánica, En ésta se emiten
enormes cantidades de SO2, SH2, CO2, partículas y
vapor de agua. Dada la altura alcanzada por los
penachos, las partículas emitidas permanecen en
la atmósfera durante mucho tiempo.
8
Los fuegos en nuestros bosques son también una
fuente importante de contaminantes, CO, CO2,
compuestos órgano-volátiles, partículas, óxidos
de nitrógeno
9
Las tormentas de arena constituyen también una
fuente importante de partículas. En la imagen se
observa una de ellas sobre el Océano Atlántico a
la altura de Marruecos.
10
Por otra parte las grandes extensiones boscosas
producen una gran de compuestos órgano-volátiles
(terpenos, pinenos,) los cuales se pueden
convertir en partículas aumentando la
concentración de las mismas, dando lugar a una
pérdida de visibilidad. Así mismo estos bosques
producen grandes cantidades de polen lo que
genera un problema para las personas con algún
tipo de alergia.
Los océanos son por otra parte una fuente
importante de partículas, principalmente sales
(ClNa, sales de yodo, etc) que atacan a los
metales produciendo corrosión. Esto es importante
en las ciudades y pueblos costeros.
11
Fuentes antropógenicas
12
Codigos SNAP 94 (Select Nomeglatura for sources
of Air Pollution)
13
Óxidos de azufre
14
Variación de la población mundial
El crecimiento de la población mundial fue más o
menos estacionario hasta el siglo XVII, a partir
del cual los avances científicos han permitido un
crecimiento exponencial de la misma. Parejo al
incremento de la población se ha producido un
incremento de la calidad de vida que ha tenido
como consecuencia un mayor gasto de energía,
principalmente
obtenida a partir de combustibles fósiles
Carbón, petróleo, gas natural. Este incremento
del gasto energético has sido particularmente
importante a lo largo del siglo XX.
15
La combustión de los combustible fósiles lleva
consigo la producción de importantes cantidades
de óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno La
figura nos muestra la producción de azufre en
Europa desde mediados del siglo XIX.
16
Compuestos de azufre (Oxidados) SO2 Gas
que condensa con facilidad, es incoloro, de olor
picante y más pesado que el aire, posee un
elevado poder de corrosión. Químicamente puede
actuar como oxidante (p. ej. frente al sulfuro de
hidrógeno, SH2) o como reductor (con los
halógenos) SO3 Líquido incoloro de elevada
afinidad por el agua con la que forma el ácido
sulfúrico, altamente oxidante. En la atmósfera es
un compuesto secundario que aparece como
oxidación del SO2 H2SO4 Líquido altamente
corrosivo, se forma a partir de la hidratación
del SO3
17
Reducidos Sulfuro de hidrógenoSH2, gas a
temperatura ambiente, incoloro y de olor
desagradable (huevos podridos) posee un fuerte
poder reductor Se forma en como resultado de la
putrefacción y en los volcanes Sulfuro de
dimetilo (CH3SCH3), es un gas procedente de la
exhalación de algas marinas. Sufuro de carbonilo
(COS) es un gas procedente de la exhalación de
algas marinas.
18
Oxidación e hidratación
Oxidación
H2S DMS
SO4(2-) (partículas)
SO2
Fuentes Naturales
Deposición seca y húmeda (agua de lluvia)
Fuentes antropogénicas
Deposición seca
19
Emisiones españolas de SO2 (Corinair 94)
20
Contenido en azufre de los diferentes
combustibles Oil (parafinas, gas-oil,
fuel-oil) 0.1 al 3 Carbón 0.1 y 4 Gas
natural (principalmente metano) trazas
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Emisiones españolas (corinair94)
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Emisiones Europa CorinAir1994
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Óxidos de nitrógeno
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Óxidos de nitrógeno(NOx) Óxido nítrico
NO Dióxido de nitrógeno NO2
Óxido nítrico en condiciones normales es un
gas incoloro, que desde el punto de vista
químico, resulta bastante inerte, aunque a
temperaturas elevadas puede resultar
oxidante. Dióxido de nitrógeno Gas altamente
oxidante, que se forma como resultado de la
oxidación del NO. En condiciones normales es un
gas de color pardo, que se va intensificando a
medida que sube la temperatura
Óxido nitroso (N2O) Gas emitido de forma natural
por las bacterias denitrificantes. Es bastante
inerte y alcanza la estratosfera. Tiene efecto
invernadero. Se emplea como anestésico.
Otros óxidos NO3, N2O5, N2O3
26
Se producen a alta temperatura en los procesos de
combustión
Procesos térmicos Se produce como una
reacción entre el nitrógeno y el oxígeno del
aire. Las reacciones se pueden resumir en el
llamado proceso de Zeldovitch N2 O ----gt
NO N N O2
----gt NO O que es altamente
endotérmico, por lo que la máxima
produc- tividad de NO se produce en la zona de
máxima tem- peratura de la cámara de
combustión. Combustible Se forma NO a partir
del nitrógeno que aparece en el combustible.
Típicamente, el nitrógeno del combustible (fuel
y carbón) contiene entre el 05 y el 15 de
nitrógeno y algo menos en el gas natural.
27
El NO2 se suele formar normalmente a partir de
la Oxidación del NO NO O3 ------gt NO2
O2 NO2 hn (l lt 420 nm) -----gt NO O
día
Noche
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Emisiones españolas de NOx, (expresado en
términos de NO2, Corinair94)
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Diapositiva 9
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Amonio
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Agrupamos en este término tanto las emisiones de
amoniaco (NH3) como ión amonio (NH4). Las
principales fuentes de emisión de estos
compuestos son la ganadería intensiva, debido
principalmente a la descomposición de la urea y
el ácido úrico. El amoniaco se encuentra
normalmente en forma gaseosa, y el ión amonio se
encuentra formando parte de partículas sólidas o
líquidas en forma de sulfato o nitrato amónico.
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Emisiones de NH3 en España (Corinair 94)
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(No Transcript)
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Debido a que su emisión se produce en zonas
rurales, donde se localizan usualmente la
ganadería intensiva, la fuente de emisión es muy
diferente a la de los otros gases estudiados que
tienen un origen más urbano. Una fuente
importante de amonio es también los
fertilizantes, sobre todo si contienen urea
39
Óxido nitroso (N2O)
40
Gas emitido de forma natural por el océano y el
suelo, no es tóxico a las concentraciones
normales. Es un gas radiativamente activo y por
tanto tiene un efecto invernadero. En el suelo
surge como resultado de procesos de
nitrifica- ción/desnitrificación anaeróbica. Este
proceso es más intenso en suelos agrícolas donde
se fertiliza el suelo. Los cambios en el uso del
terreno, tales como deforestación, drenado y
cultivo intensifican la emisión.
En la estratosfera el óxido nitroso es una fuente
importante de óxido nítrico a través de la
reacción
N2O O ----gt 2NO
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Emisiones de N2O de España (CorinAir 94)
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Compuestos órgano-volátiles (COV)
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En esta categoría entran todos los compuestos
orgánicos volátiles que incluyen Hidrocarburos
- no metano (NMHC) tales como -alcanos o
parafinas (saturados, enlaces simples
etano, butano..., poco reactivos), -alquenos u
olefinas (no saturados, enlaces dobles o triples
etileno, acetileno, más reactivos que los
alcanos) Son muy volátiles aunque el punto de
ebullición aumenta con la longitud de la
cadena -aromáticos (estructuras en anillo,
benceno, tolueno, vapores tóxicos e incluso
carcinógenos) Hidrocarbonos Oxigenados
alcoholes, eteres, aldehidos y cetonas
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Emisiones españolas de NMVOC (CorinAir94)
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Hidrocarburos procedentes de la gasolina
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Emisiones de NMCOV España (Corinair94)
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Metano
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El metano es el mas ligero de los hidrocarburos,
es el llamado gas de los pantanos, pues se
produce de forma natural debido a procesos de
fermentación anaeróbica. Es un gas de efecto
invernadero y debido a la acción del hombre
(ganaderia intensiva, aumento del cultivo del
arroz, tratamiento de basuras, etc.) está
incrementando su concentración en la atmósfera.
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Emisiones de metano
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Monóxido de Carbono
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El monóxido de carbono (CO) es un gas incoloro e
inodoro algo más ligero que el aire, es altamente
reductor y no reacciona con el agua. El monóxido
de carbono es el gas del llamado tufo que se
produce por una mala combustión en los braseros
de carbón vegetal (picón) y que puede producir
la muerte al tener una gran afinidad por la
hemoglobina de la sangre. El monóxido de
carbono tiene tanto un origen natural como
antropogénico, la principal fuente de emisión
antropogénica lo constituye una mala combustión
de gasolinas y gasóleos en los motores de los
vehículos. La producción natural se produce
mediante la oxidación del metano, la exhalación
de los océanos, la descompo- sición de la
clorofila, etc. La producción antropogénica de
este contaminante es mucho mayor que la de
cualquier otro.
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Emisiones de CO de España (CorinAir94)
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Dióxido de Carbono
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El dióxido de carbono A las temperaturas
normales se encuentra en forma de gas (punto de
congelación -70 C, da lugar a la nieve
carbónica). Gas natural que junto con el agua,
quizás sea los más importante para la vida sobre
la tierra pues interviene en multitud de procesos
tanto geoquímicos (meteorización de las rocas)
y biológicos (fotosíntesis) y atmosféricos (gas
radiativo). Antropogenicamente hablando se
produce en multitud de procesos principalmente en
todos los de combustión
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Contaminantes Secundarios
El Smog fotoquímico Ozono Radicales
libres PAN
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La ciudad de Los Angeles en Estados Unidos, hacia
mediados de los años 40 en el siglo pasado, fue
la primera ciudad donde se empezaron a notar los
efectos del llamado smog fotoquímico.La
frecuencia, duración y severidad de este fenómeno
provocó que se investigase su origen y forma de
atajarlo.
69
La palabra smog es una palabra compuesta, unión
de dos palabras inglesas smoke humo y fog
niebla. Y se utilizaba para designar las
frecuentes y persistentes nieblas que tenían lugar
en Londres a finales del siglo XIX y principios
del XX y que se formaban sobre los humos emitidos
por las calderas utilizadas para calefacción que
además contenían (las nieblas) una gran cantidad
de SO2.
70
El tipo de smog que se producía en Los Angeles
eran de origen diferente pues era un smog seco
en vez de húmedo que era el que se producía en
Londres. Las investigaciones condujeron a que
el origen de este smog era producto de complejos
procesos fotoquímicos que tenían lugar en una
atmósfera contaminada con multitud de substancias
químicas procedentes de la combustión de
gasolinas y gasóleos en las cámaras de combustión
de los motores de los vehículos, las industrias
del petróleo etc.
71
La principal característica de este smog
fotoquímico es el alto grado de oxidación de los
compuestos que lo forman, principalmente ozono y
radicales peróxidos que provocan irritación
bronquial, ocular así como daño a las plantas y
materiales de construcción. La estación
preferida para la aparición del smog fotoquímico
es el verano, cuando la radiación solar es
elevada, aunque las condicio- nes meteorológicas
son también muy importantes. Por ejemplo la
existencia de inversiones superficiales favorecen
la formación de smog fotoquímico. Vamos a
analizar los mecanismos responsables de la
formación de este smog fotoquímico.
72
(57)
(13)
(20)
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(No Transcript)
74
Los Angeles
Tubo de escape
Laboratorio
75

• Con referencia a la figura, que representa , las
  medidas en los Angeles, tenemos que,
• La máxima concentración de NO se observa a
  primera hora de la mañana, cuando se produce el
  tráfico asociado a la entrada al trabajo.
• La máxima concentración de NO2 se obtiene varias
  horas más tarde
• La máxima concentración de O3 así como de los
  aldehidos y el PAN se obtienen por la tarde. Un
  similar comportamiento se obtiene en las curvas
  obtenidas en el laboratorio tanto en salidas de
  gases como en las cámaras de reacción

Que mecanismos producen este comportamiento ?
76
En primer lugar tenemos el siguiente grupo de
reacciones, que constituye el ciclo fotoquímico
básico del NOx y el O3
que permiten oxidar el NO, ahora bien, este
proceso requiere la existencia de O3 y a primera
hora de la mañana según se desprende de la figura
apenas hay O3, se necesita otro mecanismo. Todo
parece indicar que los radicales libres
orgánicos/inorgánicos son en una buena parte
responsables. Veamos como.
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(No Transcript)
78
R Radical alkilo RC(O) Radical acilo RO
Radical alkoxilo ROO Radical
Peroxialkilo R(CO)OO Radical Peroxiacilo OH
Radical hidroxilo O2H Radical hidroperoxilo
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Reactividad de los VOC
83
Resumen interacción entre los ciclos de los NOx y
VOC
84
Radicales libres inorgánicos Los más
importantes son Oxígeno atómico O (3P) Oxigeno
atómico O(1D) radical hidroxilo, OH radical
hidroperóxido, O2H. Algunos mecanismos de
formación son
HNO2 hn (l lt 395 nm) --------gt NO OH
O3 hn --------gt O2 O(1D) O(1D) H2O
-----gt 2OH
Neto O3 hn H2O --------gt O2 2 OH
NO2 hn((l 395 nm) -------gt NO O
OH CO -------gt CO2 H H O2 M -------gt
HO2 M
Neto OH CO O2 M --------gt CO2 HO2 M
HO2 HO2 -----gt 2H2O2
85
Diagrama que muestra la influencia del radical OH
en la atmósfera
86
Desarrollo de estrategias de control
Resulta interesante analizar como podemos
disminuir la cantidad de ozono formado en un smog
fotoquímico. Hemos visto a partir de el oxido
nítrico NO e hidrocarburos, por medio de la
acción de radicales se forma Ozono, PAN y
aldehidos. Podemos intentar disminuir las
concentraciones de NO e hidrocarburos o bien
disminuir cada una por separado. Para ver el
efecto de estas disminuciones Dodge preparará
unos diagramas que llevan su nombre en los que
analiza la cantidad de ozono resultante a partir
de ciertas concentraciones de NO e hidrocarburos.
El resultado lo podemos ver el el siguiente
diagrama.
87
VOC/NOx 8
Diagrama de Dodge.
88
(No Transcript)
89
El ozono es una forma alotrópica del oxígeno cuya
fórmula química es O3. En condiciones normales
es de color azulado y con un olor picante
característico. Posee un fuerte poder oxidante y
una gran tendencia a transformarse en oxígeno
mediante una reacción exotérmica, que
frecuentemente cursa con violencia explosiva. A
nivel global el ozono se concentra en una capa
situada entre los 12 y 20 Km. de altura, la
llamada ozonosfera. No obstante y como resultado
de procesos fotoquímicos que tienen lugar en la
atmósfera contaminada de las grandes ciudades, es
posible que se encuentren altas concentraciones
de este gas en dichas atmósferas. Es en este
sentido en el que hemos estudiado el ozono en
este momento. Dejaremos para más adelante el
estudio del ozono estratosférico cuando
estudiemos las implicaciones globales de la
contaminación.
90
Partículas
91
Es un hecho experimental relativamente fácil de
llevar a cabo (basta que miremos en algún rincón
de casa, sobretodo si es un piso de estudiantes)
que el aire tiene multitud de partículas en
suspensión. A este sistema airepartículas se le
denomina aerosol atmosférico.
El aerosol atmosférico es ubicuo, está presente
tanto en atmósferas muy contaminadas de las
grandes ciudades como en atmósferas limpias de
los sitios más remotos de la Antártida o el polo
norte
92
Distribución en tamaños
Especialmente debido al movimiento Browniano las
partículas más pequeñas pueden permanecer en la
atmósfera durante mucho tiempo, obviamente
cuanto más grandes son las partículas mayor es su
velocidad de sedimentación y por tanto debe de
existir un tamaño máximo más allá del cual la
partícula sedimenta muy rápidamente y no es
observable. Este tamaño está en torno a las 100
mm. En cuanto al radio más pequeño, viene
determinado esencialmente por los mecanismos de
producción del aerosol, está en torno a las 0.001
- 0.01 mm
93
Diferentes tipos de partículas y tamaños asociados
94
Figura que muestra un espectro idealizado de
aerosoles Ordenadas Número de partículas/cm3
con tamaño comprendido entre log (r) y log (r)
d(log (r)) Abscisas log (r) Para tres
situaciones diferentes urbano, rural, marítimo
95
La figura nos muestra un espectro del volumen de
las partículas, Podemos apreciar la existencia de
tres zonas o modos nucleación, acumulación,
grosero
MMDMass Median Diameter
96
Espectro en tamaños y mecanismos de algunos
mecanismos de formación
97
Algunas definiciones
Diámetro aerodinámico Diámetro de una esfera de
densidad unidad (g/cm3), que tiene la misma
velocidad terminal en aire en calma que la
partícula real en cuestión
Donde Kc es el factor de corrección de
Cunninigham, factor del orden de la unidad para
partículas mayores que 2 mm
98
TSP Total Suspended Particulate mater
Total de partículas en suspensión
Se miden con un filtro de alta eficiencia que
capture prácticamente el total de las partículas
PM10 Partículas con un radio aerodinámico menor
de 10 mm
PM2.5 Partículas con un radio aerodinámico
menor de 2.5 mm
Diámetro de corte de un analizador Diámetro a
partir del cual un 50 de las partículas son
retenidas.
Analizador de PM10 Lleva una filtro previo con
un diámetro de corte de 10 mm, que deja pasar
solamente aquellas partículas menores de 10 mm
que luego son retenidas en un filtro de alta
eficiencia.
99
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100
Impactor en cascada
101
Eficiencia de deposición en los alvéolos
102
Origen

• Fuentes minerales
• Fuentes marítimas
• Otras fuentes

Fuentes primarias
Fuentes secundarias

• Conversión gas/partícula

103
Fuentes minerales Bajo la acción del viento se
levantan partículas muy finas, que son
incorporadas como aerosoles a la corriente
general. Como ejemplo tenéis las grandes
tormentas de arena del desierto. A su vez las
partículas en suspensión realizan una labor de
lijado de las rocas, produciendo su erosión.
Este proceso forma parte de la llamada
meteorización física. Este ha sido un mecanismo
importante, que lo largo de los siglos, ha ido
moldeando el paisaje (El famoso loess chino).
Las partículas más pequeñas pueden permanecer
mucho tiempo en suspensión y si el viento es
persistente puede transportarlas a grandes
distancias. Se pueden ver en Badajoz, cuando
viene aire Sahariano y son capaces de cruzar el
Atlántico. Ser han observado grandes masas de
aerosoles mediante imágenes satélite.
104
(No Transcript)
105
La imagen nos muestra una nube de polvo
sahariano vista desde satélite sobre el Atlántico
España
Marruecos
Obviamente la composición de estas
partículas corresponde con el tipo de material
donde se originó el aerosol, en este caso suelen
estar compuestas de sílice (SiO2), Feldespatos
(Feldespato potásico KAlSi3O8, Feldespato
plagioclasa NaAlSi3O3-CaAl2Si2O8), Hematita
(Fe2O3), Calcita (CaCO3), Dolomita (CaMgCO3),
Yeso (Ca SO4-2H2O), Epsomita (MgSO4-7H2O),
Arcillas (Kaolinita, Illita, Vermiculita, Clorita)
106
Fuentes marinas Cuando las burbujas que se
forman en el mar se rompen inyectan a la
atmósfera diminutas gotitas, si la humedad
relativa no es muy elevada se evaporan dejando
tras de si un núcleo de sal. Este diminuta
partícula se puede integrar a la circulación
general de la atmósfera.
Una buena parte del aerosol marino se produce
mediante este mecanismo
107
Obviamente la composición de la partícula refleja
la composición del agua marina Sal común y otras
sales en menor proporción (sulfatos, carbonatos,
nitratos, fosfatos, etc.).
108
Otras fuentes Volcanes, emiten una gran
cantidad de partículas a la atmósfera. Las
erupciones más intensas alcanzan fácilmente a la
estratosfera donde permanecen durante mucho
tiempo. Las partículas emitidas por los volcanes
están formadas esencialmente por compuestos de
sílice (elemento fundamental del manto
terrestre). Entre los gases destacan el H20, CO2,
SO2, COS, N2, CO, HCl, Cl2.
109
Otras fuentes

• Generación de humos en procesos industriales,
• Generación de energía (combustión de combustibles
  fósiles carbón (lignito, hulla, antracita),
  fuel, gas natural)
• Automoción(Diesel), etc

Los procesos de combustión producen hollines
(partículas de carbón muy finas junto con materia
orgánica), cenizas (compuestos inorgánicos),
materia orgánica, Los motores diesel producen
de 10 a 100 veces más partículas que los de
gasolina.
110
Otras fuentes -Polen de las plantas
Importancia fundamental en la polinización,
Interés desde el punto de vista de las
enfermedades alérgicas
- Fuegos En los fuegos de las superficies
boscosas, por accidente o intencionado. En los
fuegos por prácticas agrícolas. p. ej. En
Extremadura en otoño se quema una gran cantidad
troncos de maiz
111
Conversión gas/partícula
El proceso de conversión de gas a partícula es un
proceso mediante el cual cuando un vapor alcanza
una presión de vapor suficiente se produce la
condensación formandose una partícula. Otra
posibilidad es que se produzca una disolución del
gas en una gotita de agua y cuando esta se
evapora el núcleo resultante contenga la
sustancia que se disolvió.
112
Ejemplos importantes
El dióxido de azufre SO2 producido, por ejemplo,
por la combustión de carbón de alto contenido en
azufre, se oxida en el aire mediante reacción con
algún radical libre (p. ej., OH) dando lugar a
SO3 que posteriormente se hidrata y da lugar a
H2SO4, un posible mecanismo es el siguiente HO
SO2 --------gt HOSO2 HOSO2 O2 --------gt
SO3 HO2 SO3 H2O --------gt H2SO4
113
Una vez formado el ácido sulfúrico en fase
gaseosa, en presencia de vapor de agua y/o
amoniaco da lugar a partículas solubles de
sulfato amónico (proceso de nucleación), o bien
condensa sobre núcleos preexistentes (proceso de
condensación) Otra posibilidad es la disolución
del SO2, en las gotitas de agua de las nubes y en
fase líquida formarse sulfatos. SO2 (g) H2O(l)
-----gt SO2H2O (acu) SO2H2O (acu) -----gt
SO3H(-) H() SO3H(-) -----gt
SO3(2-) H() Los mecanismos de oxidación de
S(IV) a S(VI) son diversos, algunos ejemplos
son SO3H-(acu) H2O2(acu) ----gt SO4H -(acu)
H2O(l) SO3H-(acu) O3(acu) ----gt SO4H -(acu)
O2 (acu) 2SO3H-(acu) O2(acu) ---------gt
2SO42- 2 H
Fe3,Mn 2
114
Este proceso disminuye el pH gt Lluvia
ácida Los núcleos formados mediante los
anteriores mecanismos son muy higroscópicos
formando parte de una parte de los aerosoles
Los núcleos de condensación nubosos Partículas
higroscópicas necesarias en la formación de las
nubes cálidas.
115
Otro mecanismo importante para la formación del
H2SO4 es la oxidación de una substancia
procedente de la exhalación de las algas El
sulfuro de dimetilo CH3SCH3(DMS)
116
Otros ejemplos de conversión gas a partícula Al
igual que sucede con el SO2, el NO2 es oxidado a
NO3 e hidratado para formar ácido nítrico HNO3 el
cual entra a formar parte del aerosol mediante
nucleación y/o condensación. O es disuelto en
las gotitas de agua en las nubes.
117
Ejemplos de agua de lluvia en diferentes
localidades
118
Así mismo el amoniaco (emitido mediante
metabolismo bacteriano, en animales domésticos,
fertilizantes, suelos naturales, océanos) se
disuelve en el agua para formar el ión
amonio NH3(gas) ltgt NH3 (acu) NH3(acu)
H ltgt NH4
El catión NH4 reacciona con los aniones (SOH2-,
NO3- ) para dar lugar a los núcleos de
condensación cuando el agua se evapora.
119
Resumen de fuentes, compuestos y tamaños del
aerosol
120
Composición del aerosol
121
Tasas de emisión
122
Una de las consecuencias del aumento de la
contaminación es precisamente el aumento de la
cantidad de CCN, lo que puede alterar las
propiedades de las nubes. Un aumento de la
cantidad de CCN produce una mayor competitividad
de los CCN por el vapor lo que produce una
disminución del radio medio de las gotitas
alterando las propiedades reflectivas de las
nubes y por tanto la radiación que alcanza la
superficie de la tierra