Impactos en la atmósfera

UNIDAD 10 UNIDAD 10 Impactos en la atmósfera

La contaminación en la atmósfera

Según la ley de Protección del Ambiente Atmosférico, la contaminación atmosférica se define como:

“La presencia en el aire de materias o energías que impliquen riesgo, daño o molestia para las personas y bienes de cualquier naturaleza”

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Según esta definición, consideraremos que la atmósfera está contaminada cuando existan sustancias o energías, bien ajenas a la atmósfera, o bien naturales pero en una elevada concentración.

La atmósfera dispone de mecanismos para difundir o dispersar o eliminar los contaminantes, pero su capacidad es limitada. Cuando se superan estos límites aparecen situaciones preocupantes:

• Calentamiento global• Incremento rápido del efecto invernadero• Destrucción de la capa de ozono• Lluvias ácidas

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La contaminación atmosférica es un proceso que se ha agravado últimamente, pero no es nuevo:

• En el siglo XIII, en Londres, la población comenzó a quejarse de la excesiva cantidad de polvo de carbón y de hollín en el aire. Se llegó a prohibir el uso del carbón de piedra.

• En Talavera (Toledo), en 1600 , ya se impusieron medidas para evitar la contaminación producida por los hornos de cerámica.

• A partir de la revolución industrial, los episodios de contaminación son más numerosos. Los más famosos del pasado siglo sucedieron en Meuse Valley, Bélgica; Donora, Pensilvania; y Londres, Inglaterra.

• La peor contaminación ocurrió en Londres, cuando una densa nube de aire contaminado (el “smog”, combinación de humo y niebla) se formó sobre la ciudad en diciembre de 1952, y permaneció hasta marzo de 1953. En sólo una semana fallecieron más de 4.000 personas, y más de 8.000 personas fallecieron a lo largo de seis meses.

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"No había cuerpos en las calles (...) pero las empresas fúnebres se quedaron sin ataúdes y las floristerías sin flores", dijo el doctor Robert Waller, que trabajaba en el hospital St. Batholomew's.

El fenómeno se extendió durante cuatro días.

El «smog» se introdujo en todas partes, la ópera La Traviata fue interrumpida en el primer acto en el teatro Sadler's Wells, se caminaba a ciegas por los pasillos de los hospitales y las escuelas cerraron las aulas.

También se vio afectado el servicio de trenes y fueron cerrados los aeropuertos.

El anterior alcalde de la ciudad, Ken Livingstone, recordó la "buena noticia" de que no tenía que acudir a clases. "La neblina era tan gruesa que se recomendó a los mayores que no se arriesgaran a perder los niños", agregó. "Mis padres salían a la calle con el rostro cubierto por un pañuelo".

Tras los sucesos de 1952, el gobierno alentó la eliminación del carbón como combustible para la calefacción. Actualmente, el aire de Londres es controlado de forma permanente gracias a 80 estaciones de monitoreo repartidas por la capital.

Los expertos aseguran que la principal lucha actualmente es contra las emisiones de los automóviles.

Fuente: BBC, 6 de diciembre de 2002

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Fuentes de contaminaciónLos contaminantes presentes en la atmósfera proceden de dos tipos de fuentes emisoras bien diferenciadas: las naturales y las antropogénicas. En el primer caso la presencia de contaminantes se debe a causas naturales, mientras que en el segundo tiene su origen en las actividades humanas.

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Fuentes de contaminación naturalSe deben a procesos geológicos, biológicos, de la hidrosfera o atmosféricos.

Geológicos: Erupciones volcánicas (SO2, CO2, H2S, cenizas….)

Emisiones de gases del suelo: CH4, NO, …

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Fuentes de contaminación natural

Biológicos:

•Respiración de los seres vivos•Fermentaciones•Incendios forestales•Polinización vegetal

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Fuentes de contaminación naturalAtmosféricas:

Descargas eléctricas en las tormentas que liberan

óxidos de nitrógeno

Hidrosfera: Liberación de gases en los

océanos: CO, CO2, CH4

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Hidrosfera: Liberación de gases en los

océanos: CO, CO2, CH4

Contaminantes Naturales del Aire

Fuente Contaminantes

Volcanes Óxidos de azufre, partículas

Fuegos forestales Monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, partículas

Vendavales Polvo

Plantas (vivas) Hidrocarburos, polen

Plantas (en descomposición) Metano, sulfuro de hidrógeno

Suelo Virus, polvo

Mar Partículas de sal

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Fuentes artificiales o antropogénicas

Procede de las distintas actividades humanas. Destaca especialmente la quema de combustibles fósiles y sus derivados, bien en la industria como en centrales térmicas o siderometalúrgicas, en el transporte o en el uso doméstico.

Otras fuentes antrópicas son debidas a las actividades agrícolas y ganaderas, como la quema de bosques para aumentar el suelo agrícola, la quema de rastrojos, la emisión de gases por los fertilizantes (N2), por el ganado (CH4 producido en el tubo digestivo). Una fuente de emisión que está creciendo es la incineración de residuos sólidos, esta práctica si no se realiza de manera adecuada puede producir emisiones de N2, CO2, NO, SO3, dioxinas, etc.

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Incineración de residuos

Siderurgia

TráficoQuema de rastrojos

Refinerías de petróleo

Agricultura y ganadería

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Focos de emisión

Contaminante Antropogénicos%

Naturales%

Aerosoles 11.3 88.7

SOx 42.9 57.1

CO 9.4 90.6

NO 11.3 88.7

Hidrocarburos 15.5 84.5

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Procesos industriales

Focos fijos

Industriales

Instalaciones fijas de combustión

Domésticos Instalaciones de calefacción

Focos móviles

Vehículos automóviles

Aeronaves

Buques

Focos compuestosAglomeraciones industriales

Áreas urbanas

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El conjunto de contaminantes generados en estos procesos tiene menor volumen que los contaminantes naturales, pero los efectos producidos son perores en el caso de los contaminantes artificiales debido a su mayor reactividad.

El tiempo que un contaminante permanece en la atmosfera se llama tiempo de residencia y depende del tipo de contaminante y de las condiciones atmosféricas (lluvia, viento, inversiones térmicas…).

Tiempo de residencia

Gases: Depende de su capacidad reactiva

Partículas: Depende de su tamaño

Unidades de medida

Gases: ppm, ppb, cm3/m3 de aire

Partículas: μg o mg/m3 de aire

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La cantidad máxima de contaminación está regulada por la legislación ambiental de cada país, que establece unas concentraciones de referencia por encima de las cuales se considera que existe contaminación atmosférica y hay que tomar las medidas adecuadas.

Contaminante Período de referencia Valor límite Observaciones

Partículas (PM10)*

Anual 30 µg/m3

24 horas 50 µg/m3Se podrá sobrepasar

25 días al año

Dióxido de azufre

1 hora 350 µg/m3Se podrá sobrepasar 24

horas al año.

24 horas 125 µg/m3Se podrá sobrepasar

3 días al año

Dióxido de nitrógeno 1 hora 200 µg/m3

Se podrá sobrepasar 8 horas al año

Anual 40 µg/m3

Plomo Anual 0.5 µg/m3

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* PM10 son partículas sólidas o líquidas de polvo, cenizas, hollín, partículas metálicas, cemento o polen, dispersas en la atmósfera, y cuyo diámetro es menor que 10 µm.

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Tipos de contaminantes

Se pueden hacer distintas clasificaciones:

Radiaciones ionizantesRadiaciones no ionizantes

Contaminación sonora

Gases Partículas

Olores

Sustancias químicas

Formas de energía

Según la naturaleza del contaminante

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Tipos de contaminantes

Inocuos

NocivosSegún la Toxicidad del contaminante:

Se producen como consecuencia de reacciones

químicas y fotoquímicas de los contaminantes en la atmósfera

Secundarios

Primarios

Según la Procedencia del contaminante:

Son sustancias vertidas directamente a la atmósfera

desde los focos contaminantes

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Contaminantes primariosProceden directamente de la fuente de emisión y se encuentran tal y como fueron emitidos.

Sus fuentes son perfectamente identificables y en conjunto supone el 90% de los contaminantes del aire.

Su naturaleza física y su composición química es muy variada, si bien podemos agruparlos atendiendo a su peculiaridad más característica tal como su estado físico (caso de partículas y metales), o elemento químico común (caso de los contaminantes gaseosos).

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Entre los contaminantes atmosféricos más frecuentes que causan alteraciones en la atmósfera se encuentran:

• Aerosoles (en los que se incluyen las partículas sedimentables , en suspensión y los humos).

• Óxidos de azufre, SOx. • Monóxido de carbono, CO. • Óxidos de nitrógeno, NOx. • Hidrocarburos, Hn Cm. • Ozono, O3.

• Anhídrido carbónico, CO2.

Además de estas sustancias, en la atmósfera se encuentran una serie de contaminantes que se presentan más raramente, pero que pueden producir efectos negativos sobre determinadas zonas por ser su emisión a la atmósfera muy localizada. Entre otros, destacan los siguientes:

• Otros derivados del azufre. • Halógenos y sus derivados. • Arsénico y sus derivados. • Compuestos orgánicos. • Partículas de metales pesados y ligeros, como el plomo, mercurio, cobre, zinc, etc.• Partículas de sustancias minerales, como el amianto y los asbestos. • Sustancias radiactivas.

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• Dada su presencia natural en la atmósfera y su falta de toxicidad, no deberíamos considerarlo una sustancia que contamina, pero se dan dos circunstancias que lo hacen un contaminante de gran importancia en la actualidad: – Es un gas que retiene rayos infrarrojos y produce el

incremento del efecto invernadero; y – Su concentración está aumentando en los últimos

decenios por la quema de los combustibles fósiles y de grandes extensiones de bosques.

CO2

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• Alrededor del 90% del que existe en la atmósfera se forma de manera natural, en la oxidación de metano (CH4) por reacciones fotoquímicas. Se va eliminando por su oxidación a CO2.

• La actividad humana lo genera en grandes cantidades siendo, después del CO2, el contaminante emitido en mayor cantidad a la atmósfera por causas no naturales. Procede, principalmente, de la combustión incompleta de la gasolina y el gasoil en los motores de los vehículos.

CO

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SOx

SO2

Incluyen el dióxido de azufre (SO2) y el trióxido

de azufre (SO3).

Su vida media en la atmósfera es corta, de unos 2 a 4 días. Casi la mitad vuelve a depositarse en la superficie, húmedo o seco, y el resto se convierte en iones sulfato (SO4

2-).

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SO3

En presencia de agua reacciona violentamente dando lugar a la formación de ácido sulfúrico, haciendo que sea altamente corrosivo.

NOx (conjunto de NO y NO2)

•Muy importante en la formación del smog fotoquímico, del nitrato de peroxiacetilo (PAN) e influye en las reacciones de formación y destrucción del ozono, tanto troposférico como estratosférico, así como en el fenómeno de la lluvia ácida. En concentraciones altas produce daños a la salud y a las plantas, corroe tejidos y materiales diversos.

•Las actividades humanas que los producen son, principalmente, las combustiones realizadas a altas temperaturas. Más de la mitad de los gases de este grupo emitidos en España proceden del transporte.

Óxido nitroso (N2O) •En la troposfera es inerte y su vida media es de unos 170 años. Va desapareciendo en la estratosfera en reacciones fotoquímicas que pueden tener influencia en la destrucción de la capa de ozono. También produce aumento del efecto invernadero.

•Procede fundamentalmente de emisiones naturales (procesos microbiológicos en el suelo y en los océanos) y, en menor medida, de actividades agrícolas y ganaderas (alrededor del 10% del total).

Oxidos de nitrógeno (NOx)

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• Es un contaminante primario que se forma de manera natural.• Desaparece de la atmósfera a consecuencia, principalmente, de reaccionar con

los radicales OH formando, entre otros compuestos, ozono. Su vida media en la troposfera es de entre 5 y 10 años. Contribuye al efecto invernadero.

Metano (CH4)

Otros hidrocarburos

• En la atmósfera están presentes muchos otros hidrocarburos, principalmente procedentes de fenómenos naturales, pero también originados por actividades humanas, sobre todo las relacionadas con la extracción, el refino y el uso del petróleo y sus derivados.

• Sus efectos sobre la salud son variables. Algunos no parece que causen ningún daño, pero otros afectan al sistema respiratorio y podrían causar cáncer, como p. ej. el benceno.

• Intervienen de forma importante en las reacciones que originan el "smog" fotoquímico.

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Moléculas orgánicas formadas por átomos de Cl y F unidos a C. Por ejemplo CCl3F (Freón-11) o CCl2F2 (Freón-12). Se han utilizado mucho en los "sprays", frigoríficos, etc.

Son los principales responsables de la destrucción de la capa de ozono, mediante las siguientes reacciones:

Clorofluorocarburos (CFC)

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• En la atmósfera permanecen suspendidas sustancias muy distintas, como partículas de polvo, polen, hollín (carbón) y metales (plomo, cadmio).

Partículas y aerosoles

• Se suele usar la palabra aerosol para referirse a los materiales muy pequeños, sólidos o líquidos.

• Con el término partículas se suele denominar a los sólidos que forman parte del aerosol.

• Se suele llamar polvo a la materia sólida de tamaño un poco mayor (de 20 micrómetros o más) que las partículas.

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Contaminantes secundarios

• Se generan a partir de los primarios al reaccionar entre sí o con la radiación solar o el vapor de agua.

• No provienen directamente de los focos emisores y poseen un gran poder oxidante.

• Son los responsables de la denominada contaminación fotoquímica.

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• El ozono que se encuentra en la troposfera, junto a la superficie de la Tierra, es un importante contaminante secundario. El que se encuentra en la zona más cercana a la superficie se forma por reacciones inducidas por la luz solar en las que participan, principalmente, los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos presentes en el aire (COV). Es el componente más perjudicial del smog fotoquímico y causa daños importantes a la salud, cuando está en concentraciones altas, y frena el crecimiento de las plantas y los árboles.

Ozono troposférico

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• En España, como en otros países mediterráneos, durante el verano se dan condiciones meteorológicas favorables para la formación de ozono: altas temperaturas, cielos despejados, elevada insolación y vientos flojos.

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• Las dioxinas son compuestos químicos obtenidos a partir de procesos de combustión que implican al cloro. El término se aplica indistintamente a las policlorodibenzofuranos (PCDF) y las policlorodibenzodioxinas (PCDD).

• Son estables químicamente, poco biodegradables y muy solubles en las grasas, tendiendo a acumularse en suelos, sedimentos y tejidos orgánicos, pudiendo penetrar en la cadena alimentaria. Posible efecto cancerígeno.

• Las dioxinas y los furanos se producen principalmente de dos maneras:

1. En el proceso de fabricación de algunos pesticidas, conservantes, desinfectantes o componentes del papel.

2. Cuando se queman a bajas temperaturas materiales como algunos productos químicos, gasolina con plomo, plástico, papel o madera.

Dioxinas

Dispersión de los contaminantesHay que distinguir:

•EMISIÓN: Cantidad de contaminantes que vierte un foco emisor en un periodo de tiempo determinado. Se mide a la salida del foco emisor.

•INMISIÓN: Cantidad de contaminantes presentes en una atmosfera determinada, una vez transportados, difundidos, y mezclados en ella y a la que están expuestos los seres vivos y los materiales que se encuentran bajo su influencia.

Emisiones

Inmisiones

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Dispersión de los contaminantes

1. La mayor parte de los contaminantes se difunden en la parte baja de la troposfera, donde interactúan entre sí y con los demás compuestos presentes, antes de su deposición.

2. Otros ascienden a alturas considerables y son transportados hasta lugares muy alejados del foco emisor.

3. Un tercer grupo, más reducido, puede llegar a traspasar la tropopausa e introducirse en la estratosfera.

1 32

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Los contaminantes que se difunden en la parte baja de la troposfera presentan un ciclo de emisión-deposición que se puede resumir en tres etapas:

1. Mezcla de contaminantes. Una vez emitidos los compuestos químicos (contaminantes primarios), se mezclan en los primeros kilómetros de la troposfera, donde se desplazan libremente, se incorporación a las masas circulantes de aire y se distribuyen de forma homogénea, lo que favorece las transformaciones químicas.

2. Procesos químicos y fotoquímicos. En estos procesos participan los con-taminantes que pueden generar nuevos compuestos (contaminantes secundarios), cuyas propiedades son, por lo general, muy diferentes de las de sus precursores.

3. Deposición. Los contaminantes, transformados o no, retornan a la superficie terrestre, donde se incorporan a los océanos y al suelo.

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En general, se considera que en las áreas continentales se encuentran los focos emisores, mientras que los océanos, por su extensión, son los principales depósitos de retorno.

Este retorno sucede por deposición húmeda (los contaminantes retornan a través de la lluvia, la nieve, la niebla o el rocío) o, en menor medida, por deposición seca (debida a fenómenos gravitacionales y de adsorción).


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TransporteIndustrias

Medio Urbano

EmisiónMezcla

Transporte

Sol Vapor de agua

Transformación

Deposición

Seca Húmeda

InmisiónInmisión


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Si los niveles de inmisión no son los adecuados, disminuye la calidad del aire y se originan efectos negativos en los receptores:

• Seres humanos

• Animales

• Vegetales

• Hongos

Estos niveles de inmisión van a depender de una serie de factores:

• Condiciones meteorológicas y climáticas

• Características geográficas y topográficas

• Características de las emisiones

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Condiciones meteorológicas y climáticas

Estratificación del aire

Temperatura ºC

Alti

tud

(m)

GVTGAS

Temperatura ºC

Alti

tud

(m) GVT

GAS

Temperatura ºC

Alti

tud

(m) GVT

GAS

GVT < GAS GVT > GAS GVT = GAS

Estable Inestable Indiferente

La Tª del aire contaminado es inferior a la del aire que le rodea. Es más densa, no puede subir, e incluso baja

La Tª del aire contaminado es superior a la del aire que le rodea. Se favorecen los movimientos verticales y la dispersión de los contaminantes

Las Tª son similares y su variación con la altura es la misma. No se favorece ningún movimiento

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Inversiones

Son situaciones en las que se impide la circulación vertical del aire y por lo tanto los contaminantes se acumulan en las capas inferiores de la atmósfera. Hay varios tipos:

• Inversiones térmicas.• Inversiones de subsidencia.• Inversiones frontales o adventicias.

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Inversiones térmicas

Normalmente, el aire caliente de la superficie terrestre asciende y el aire de la parte superior de la atmósfera —más frío— cae, con lo cual se crea una circulación natural que dispersa los contaminantes superficiales del aire. Una inversión ocurre cuando las capas de aire de la atmósfera inferior son más frías que las superiores. La circulación natural sufre una interrupción y, tanto el aire superficial acumulado como los contaminantes del aire, se concentran alrededor de sus fuentes.

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El humo de las calefacciones o chimeneas no puede ascender debido a la inversión térmica.

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Inversiones de subsidencia

La inversión por subsidencia generalmente está asociada con los anticiclones. El aire de un anticiclón desciende y fluye hacia afuera con una rotación que sigue la dirección de las agujas del reloj. A medida que el aire desciende, la mayor presión existente en altitudes menores lo comprime y calienta en el gradiente vertical adiabático seco.

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Inversiones de subsidencia

Los días despejados y sin nubes característicos de los anticiclones propician las inversiones por radiación, de modo que se puede producir una inversión superficial durante la noche y una elevada durante el día. Si bien la capa de mezcla que se encuentra debajo de la inversión puede variar diariamente, nunca será muy profunda.

Durante el día, la capa de inversión resultante de este proceso con frecuencia se eleva a cientos de metros sobre la superficie.

Durante la noche, la base de una inversión por subsidencia desciende debido al enfriamiento del aire superficial.

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Inversiones adventicias o frontales

Inversión relacionada tanto con los frentes fríos como con los cálidos. En el avance de cada frente, el aire cálido desplaza al frío, de modo que se produce una circulación vertical mínima en la capa de aire frío más cercana a la superficie .

La fuerza de la inversión depende de la diferencia de temperatura entre las dos masas de aire.

Como los frentes se mueven horizontalmente, los efectos de la inversión generalmente duran poco y la falta de movimiento vertical suele compensarse con los vientos relacionados con el paso frontal.

Sin embargo, cuando los frentes se vuelven estacionarios, las condiciones de inversión pueden prolongarse.

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Vientos

Tienen una gran importancia en la dispersión de los contaminantes en función de sus características:

•Dirección•Velocidad•Turbulencias

El viento aleja los contaminantes de la zona de emisión

Viento

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Humedad relativa del aire

La humedad favorece la acumulación de contaminantes, y en determinados casos, SO2, SO3, NO2, pueden reaccionar y formar ácidos corrosivos: las llamadas LLUVIAS ÁCIDAS.

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Precipitaciones

Tienen un efecto de lavado, arrastrando contaminantes hacia el suelo. También pueden ayudar a disolver algunos gases.

Insolación

Favorece la formación de contaminantes secundarios mediante reacciones de oxidación fotoquímica.

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Factores topográficos y geográficos

La topografía influye mucho sobre los movimientos atmosféricos y por lo tanto en la dispersión de los contaminantes.

a) Zonas costeras

b) Valles fluviales y laderas

c) Zonas urbanas

d) Presencia de masas vegetales

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Zonas costeras

Se originan brisas durante el día (A) que transportan los contaminantes tierra adentro y por la noche (B) sucede al revés.

Por otra parte, el aire está cargado de la humedad del mar y puede favorecer la acumulación de contaminantes.

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Zonas de valles fluviales y laderas

Se generan brisas de valle y montaña.

Durante el día se calientan las laderas y se generan corrientes ascendentes, mientras que en el fondo del valle queda el aire frío y contaminado

Durante la noche el aire frío desciende por las laderas, y se acumula en el fondo del valle, llegando a la misma situación anterior.

Además las propias laderas dificultan el movimiento del aire y por lo tanto la dispersión de los contaminantes

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Zonas urbanas

Los edificios frenan los movimientos del aire y crean turbulencias. Las propias actividades urbanas (industria, tráfico, calefacciones,…) generan calor y se crea un microclima denominado isla de calor. En la periferia de la ciudad, la temperatura es más fría.

Este fenómeno favorece la formación de brisas urbanas debido al ascenso del aire en el centro de la ciudad, cuyo hueco es ocupado por el aire frío procedente de la periferia.

Se dificulta la dispersión de los contaminantes, formando las cúpulas (“boinas”) de contaminación, que se ven incrementadas en situaciones anticiclónicas y que pueden ser dispersadas por efecto de las lluvias y los vientos.

Los contaminantes, por otra parte pueden actuar como núcleos de condensación y provocar la formación de tormentas, más frecuentes que en los alrededores de la ciudad.

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La “isla de calor” urbana

Cúpula («Boina») de contaminación sobre Madrid

Movimiento del aire en una “isla de calor”

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Presencia de masas vegetales

Frenan la velocidad del viento y facilitan la deposición de los contaminantes, que quedan retenidos en las hojas.

Además, la vegetación absorbe CO2 (actúa como sumidero)

Un kilómetro cuadrado de bosque genera unas 1.000 toneladas de oxígeno anuales, requiriendo el doble de superficie una plantación de césped para conseguir el mismo efecto.

También son fijados por la vegetación los óxidos de azufre, oxigenándose el SO2, dando lugar a sulfatos. El plomo se acumula sin transformarse en las plantas, eliminándolo de la atmósfera. Además acumulan entre las hojas, polvo y partículas en suspensión gracias a fenómenos electrostáticos y a la presencia de aceites.

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Características de las emisionesDepende de la naturaleza de los contaminantes:

o Gas.o Partículas. Se depositan con mayor facilidad.

También depende de otros factores, como:

o Temperatura de emisión. Si es mayor que la del aire del medio, el gas asciende y se dispersa más fácilmente.

o Velocidad de emisión. Si sale a más velocidad, puede romper las capas de inversión.

o Altura del foco emisor. A mayor altura (p. ej. las chimeneas), mayor probabilidad de atravesar las capas de inversión y mayor facilidad de dispersión del contaminante.

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Education

Impactos en la atmósfera