Génesis de la atmósfera -Formación de la tierra : concentración de gas y polvo galáctico, formación de un núcleo de hierro y cubierta de silicatos y minerales carbonáceos. - Emisión de gases atrapados y disociación de minerales - H2 y He escaparon al espacio al no poder ser atrapados por el campo magnético. - Una parte del H2 quedó fijada (por reacciones químicas) por elementos más pesados lo que dio lugar a la atmósfera “primitiva o preatmósfera” con predominio de CH4, NH3 y H2O. - atmósfera primaria: constituida por CO2, nitrógeno molecular (N2) y vapor de agua, -al reaccionar con oxígeno prebiológico Ej CH4 + 2O2---------------- CO2 + 2 H2O - oxígeno atmosférico causante de la capa de ozono estratosférico O2 + O = O3 -La capa de ozono colaboró al enfriamiento de la superficie terrestre y por lo tanto a la condensación del agua (océanos). primeros organismos = actividad fotosintética

Fotosíntesis + aporte de luz solar

Fijación de CO2 y producción de oxígeno biológico

Tiempo de permanencia: es la vida media de las moléculas de un gas Gases permanentes > 1000 años (N2, O2 y gases nobles) Gases variables > 1 año (CO2, CH4, H2, NO2, O3) Gases muy variables <1 año (H2O, CO, NO2, NH3, SO2 H2S)

Espectro electromagnético

Absorción solar -gases -partículas -nubes

99 % de la energía de la radiación solar

Radiaciones más energéticas Fotodisociación Fotoionización

Máxima intensidad

Definiciones

Tiempo: conjunto de propiedades físicas (temperatura, presión , humedad, precipitaciones, cobertura de nubes, etc ) que ocurren en un momento y lugar determinado.

Clima es el tiempo medio en una zona, a largo plazo, es un patrón de las condiciones atmosféricas o de tiempo de una zona, incluyendo las variaciones estacionales y extremas del tiempo, considerando períodos largos.

Aerosoles: materiales líquidos o sólidos en suspensión, provienen de procesos físico-químicos naturales de diverso tipo: erosión, erupciones volcánicas, aerosoles marinos, incendios forestales naturales.

Polución del aire Es el aire que contiene una o más sustancias en concentraciones peligrosas para la salud humana, para animales, para vegetales o que afecte a materiales. La contaminación del aire se puede producir por la inyección temporal en ella de materia gaseosa, líquida, sólida o radiaciones ajenas a su composición natural o en proporción superior a aquella. .

Fuentes fijas: industriales, domésticos, vertederos

móviles: vehículos

Contaminante primario: agentes que se emiten en forma directa a la atmosfera

Contaminante secundario: especies que no se emiten directamente se forman en ella por interacciones entre contaminantes primarios, componentes naturales de la atmósfera y radiaciones incidentes

Emisión: es la concentración de contaminantes que vierte un foco contaminante determinado Inmisión: es la concentración de contaminantes presentes en el seno de una atmósfera determinada.

Expresión de las medidas de contaminación: Unidades volumen/volumen cm3 /m3 (ppm) ó mm3 / m3 (ppb) Unidades masa/volumen, mg/ m3 mg/ m3

Natural : erupciones volcánicas, meteoritos, fuegos. Ej. Camerún más de 2000

muertos a causa de CO2 de origen volcánico. A- Compuestos orgánicos -Descomposición anaerobia con la producción de CH4. La evolución del metano en la tropósfera supone su oxidación fotoquímica a monóxido de carbono.

- la vegetación es una fuente importante de emisión de hidrocarburos a la atmósfera (etileno, terpeno) que pueden reaccionar en la atmósfera formando las neblinas azuladas.

- plancton fuente de organohalogenados , cloruro , fluoruro y yoduro de metilo.

B- compuestos inorgánicos: erupciones volcánicas, procesos de combustión natural , descargas eléctricas y la erosión. SO2, H2S, NOx, CO2, CO etc. C- partículas : erupciones volcánicas, incendios forestales, aerosoles marinos, erosión

Contaminación física: -acústica : ruidos y vibraciones -electromagnética -radiactiva

Contaminación química

-Monóxido de carbono -Óxidos de nitrógeno Nox ( especialmente NO yNO2) -Óxidos de azufre SOx (especialmenteSO 2)

-Hidrocarburos (HC) compuestos orgánicos volátiles (metánicos y no metánicos). -Partículas -Otros: amoniaco

-Sulfuro de hidrógeno - H 2S -Halógenos -Dióxido de Carbono (CO2) -Metales, etc

Contaminates primarios

Fuente antropogénica

-Calor

Monóxido de carbono (CO): gas incoloro, inodoro e insípido, es el contaminante más

abundante y ampliamente distribuido. Origen antrópico: transporte, tratamiento de residuos, tratamiento y distribución de combustibles fósiles. Evolución en la atmósfera oxidación a dióxido de carbono OH+ CO CO2 + H Eliminación biológica -Absorción por hongos existentes en el suelo (la tasa de absorción es entre 7 y 109 mg CO/h m2 suelo)

Efectos: Organismos con hemoglobina, afinidad mayor a 200 veces que por el oxígeno- Formación de carboxihemoglobina

Óxidos de nitrógeno NOx Monóxido de dinitrogeno N2O, gas incoloro, no tóxico y no interviene en procesos fotoquímicos troposféricos. Fuentes: naturales y actividades agrícolas, siendo la principal los procesos de desnitrificación Monóxido de nitrógeno NO, gas incoloro, tóxico e interviene en procesos fotoquímicos troposféricos. Dióxido de nitrógeno NO2, gas pardo-rojizo, tóxico e interviene en procesos fotoquímicos troposféricos Fuentes: el transporte y reacciones de combustión a altas temperaturas. “participan de fenómenos de lluvia ácida contribuyen a la generación de contaminantes secundarios”

Formación N2 + O2 2NO (ocurre a temperaturas elevadas 1300 – 2500 ºC 2NO + O2 2NO2

-El ciclo fotolítico de NO2 es el causante de la formación de O3 en la troposfera. -Formación de ácido nítrico en las neblinas ácidas (reacciones nocturnas) -Formación de ácido nitroso ( reacciones diurnas)

Oxidos de azufre SO2 y el SO3

Gases incoloros confiriendo olor acre a concentraciones superiores a 3 ppm. Fuentes: Naturales: 50% proviene de la degradación anaerobia de la materia orgánica de pantanos, lodazales, océanos. Antrópicas: por la combustión de carburantes que contienen azufre. Ej. Plantas termoeléctricas, focos industriales, calefacción doméstica. Formación S + O2 SO2

SO2 + ½ O2 SO3

Evolución en la atmósfera La oxidación del SO3 con el vapor de agua y de sulfatos de amonio, entre otros, conforma el smog húmedo Ej: episodios en Londres

Efectos -Lluvias ácidas (pH < 5.5) necrosis en plantas, lesiones crónicas por exposiciones prolongadas. Valor limite 20 mg SO2/m3 para la protección de ecosistemas. -En el hombre produce irritaciones en los ojos, sistemas respiratorio - Sobre los materiales: corrosión de metales, deterioro de materiales pétreos.

Metano Aporte antrópico: actividad agrícola – ganadera, Tratamiento y eliminación de residuos, distribución de combustibles tóxicos. Concentración de metano Siglo XVIII 0.8 ppm 1999 1.75 ppm

Hidrocarburos ó compuestos orgánicos volátiles

Evolución en la atmósfera: pueden evolucionar en los llamados oxidantes fotoquímicos, con la participación de radicales libres.

Genera finalmente especies con un mayor grado de oxidación como el formaldehido, monóxido de carbono e hidroperoximetilo.

Partículas

Partículas primarias: emitidas directamente a la atmósfera Partículas secundarias: reacciones en la atmósfera Ej sulfatos a partir de SO2, nitratos a partir de NO2.

Fuentes Naturales: aerosoles marinos, polen, bacterias, cenizas, etc. Antrópicas: procesos de combustión, industria cementera, industria siderúrgica, etc. Tipos de partículas Polvo: suspensión de partículas sólidas provenientes de la disgregación de materiales sólidos. Niebla: suspensión de pequeñas gotas líquidas originadas por la condensación de agua sobre partículas higroscópicas suspendidas en el aire. Humo : suspensión de partículas sólidas o líquidas debido a la condensación de vapores producidos por procesos industriales.

Tamaño: Partículas de Aitken o finas: de tamaño inferior a 0.1 μm de diámetro Partículas medias: diámetro comprendido entre 0.1 y 10 μm Partículas sedimentables o gruesas: diámetro superior a 10 μm

Evolución en la atmósfera Deposición seca: por deposición gravitacional Deposición húmeda: arrastradas por el agua de lluvia

Efectos Sobre las Plantas: las partículas cubren las hojas y taponan los estomas. Animales y hombre: las partículas más peligrosas son las del tamaño comprendido entre 0.1 y 2.5 μm, se depositan en los alvéolos pulmonares Materiales: aumento en la velocidad de corrosión, suciedad. Disminución de la visibilidad: efectos ópticos, disminuyen la visibilidad.

Contaminante secundarios: surgen de la interacción entre los

contaminantes primarios, componentes naturales de la atmósfera y radiaciones incidentes. Se pueden generar a partir de Moléculas excitadas electrónicamente (disociación, reacción con otras especies, ionización) Radicales libres Iones Oxidantes fotoquímicos: engloba un importante número de sustancias producidos en procesos fotoquímicos que tienen la característica en común de ser capaces de oxidar materiales no inmediatamente oxidables por el oxígeno gaseoso . Ej: ozono (O3), PAN (peroxiacil nitratos), peróxido de hidrógeno (H2O2), radicales hidroxilos (HO), aldehídos, etc. Smog fotoquímico = mayor carácter oxidante que el oxígeno y nocivo.

Capa de inversión es la zona donde el gradiente vertical de temperatura cambia de signo

Dispersión de los contaminantes Viento: la dirección, magnitud y el sentido indican el camino que seguirán los contaminantes

Gradiente vertical de temperaturas: una de las características más importantes de la atmósfera desde el punto de vista termodinámico es la variación de la temperatura a medida que va ascendiendo. En condiciones adiabáticas la disminución de la temperatura es del orden 1ºC cada 100 m (gradiente adiabático)

Factores topográficos

Efecto invernadero

Efecto invernadero natural: sin sus actuales gases de efecto

invernadero (especialmente vapor de agua) la Tierra sería un planeta frío con una temperatura media de -18 ºC en lugar de los 15ºC actuales. Por lo tanto el efecto invernadero natural contribuye a incrementar en 33 ºC la temperatura de la superficie terrestre.

320 700

Efecto invernadero antropogénico Cualquier alteración que implique un aumento de la absorción de radiación infrarroja contribuirá a incrementar el desequilibrio energético y aumentará la temperatura por encima de los 33 ºC.

Principales gases de efecto invernadero

CO2 : 50%

Cloro (CFCs –HCFCs) : 17%

N2O: 6%

O3 : 9%

CH4:18%

Principales causas del “cierre de las ventanas” • gases que componen naturalmente la atmósfera se hallan incrementados Ej.: dióxido de carbono (50%), metano y el monóxido de dinitrógeno.

Presencia de sustancias extrañas en la atmósfera (ajenas a ella) •Clorofluorocarbonados (CFCs), Hidroclorofluorocarbonados (HCFCs), el ozono troposférico y otros gases como hexafluoruro de azufre (SF6). Eran inexistentes hasta el siglo XX, se han incrementado a partir de los años 60.

Protocolo de Kioto (1997) Acuerdo para reducir las emisiones a un promedio al menos 5.2 % mas bajo de la cantidad emitida en 1990. Los gases contemplados fueron dióxido de carbono, metano, monóxido de dinitrógenio, hidrofluorocarbonos, perfluorocarbonos, hexafluoruro de azufre, cuantificándose las emisiones de ellos en dióxido de carbono equivalente. Entró en vigor en enero de 2005 con 157 países ( sin incluir EE UU y Australia)

Medidas a tomar: -Fomentar la eficiencia energética - Fomentar reformas que limiten la emisión generada por el transporte, incrementar su eficiencia. - reducir la emisión de metano mediante la recuperación de residuos, mejorar los sumideros y depósitos de gases de efecto invernadero. - Promocionar actividades agrícolas sostenibles - Investigar, promover y desarrollar el uso de formas nuevas y renovables de energía, de tecnologías de secuestro de dióxido de carbono y tecnologías ecológicamente racionales. - promover políticas económicas que dificulten las acciones que sean contrarias al objetivo del compromiso.

Ozono en la estratósfera absorbe la radiación ultravioleta

Ciclo de ozono -El ozono se produce cuando grandes cantidades de energías se ponen en contacto con las moléculas de oxígeno. - gas sumamente inestable -El oxígeno es un gran absorbente de la radiación del extremo UV del espectro (160 a 240nm)

O2 +hv 2O O + O2 + M O3 + M + calor O3 + hv O2 + O O + O +M O2 +M + calor - Las reacciones de producción fotoquímica de ozono y de destrucción del mismo se llaman respectivamente : ozogénesis y ozonólisis.

-La formación del ozono se da en la alta estratósfera, sobre todo en el Ecuador donde la radiación solar es mayor y por lo tanto también la de UV, llegando en forma vertical. Desde aquí es transportado hacia los polos y la baja estratósfera.

¿Cómo se mide el ozono? -Mediciones con globos sonda, con cohetes o con satélites

- primeras mediciones son del año 1930 de una estación meteorológica de

Arosa en Suiza.

- se mide en unidades DOBSON, donde:

1 UD equivale a un espesor 0.01 mm de

Ozono puro a la densidad que tendría si

se encontrase a 1 atm y a la temperatura

de 0º

- en altas latitudes las concentraciones superan las 400 UD; en el polo Sur en

Septiembre – Octubre, durante la primavera, son 125 a 150 UD.

¿Qué son los CFCs? - Fueron sintetizados por primera vez en la década del 30, a partir de átomos de flúor,

carbono y cloro, son inertes, no tóxicos, no inflamables, sin olor, no reactivos.

- económicos y simples de fabricar, con la capacidad de gasificarse a bajas

temperaturas.

- son utilizados en todo el mundo en los sistemas de refrigeración que incluyen a las

heladeras, congeladores, aire acondicionados, también se usan en los extinguidores

de incendios, particularmente en los pequeños extinguidores de uso doméstico, como

propelentes de aerosoles, como base de limpiadores de microchips, en la industria del

telgopor, etc.

- 1974 S. Rowland y M. Molina advierten del impacto destructivo de los CFCs en

presencia de radiación ultravioleta.

Permanecen en la troposfera porque son insolubles en agua y químicamente

inertes

Entre 12 y 20 años estos compuestos más pesados suben a la estratosfera

por convección (en la troposfera conforman parte de los gases de efecto

invernadero)

En la estratofera se descomponen por la influencia de UV liberando Cl, F, Br.

Pueden durar en la estratosfera entre 65 y 385 años.

Acción de los contaminantes sobre el ozono estratoférico

Nox : reducen el ozono en oxígeno molecular. Principal fuente transporte aéreo

Freones cuando contienen fluor y cloro Halones: cuando contienen bromo HCFs son compuestos semejantes pero mantienen un átomo de hidrógeno.

Cuando llegan a la estratosfera se enfrentan a nuevas condiciones y dejan de ser estables, interviniendo en procesos fotoquímicos

CFxCl4x + hv (190-225 nm) CFxCl3x +Cl Cl + O3 ClO + O2

O3 + O 2 O2

Un átomo de cloro liberado en la fotólisis es capaz de permanecer en la estratosfera uno o dos años y puede destruir unas 100 000 moléculas

Distribución del ozono en la atmósfera

La distribución del ozono en la atmósfera es variable, depende de: la altitud, latitud de la época del año, de la temperatura, y acompaña también al ciclo solar. Una variable importante en esta distribución es el momento de apertura del vórtice polar.

Etapa de destrucción de Ozono Cl + O3 ClO + O2

Reconstrucción del cloro atómico ClO+ O Cl + O2

Activación del cloro sobre la superficie de las partículas ClO + NO2 ClONO2

Teorías sobre la pérdida del ozono en la estratósfera ¿Estamos frente a un proceso cíclico natural? ¿Es un proceso destructor generado por la actividad industrial? -Los CFCs no pueden llegar lo suficientemente alto, debido a que la inversión termal que se produce en la estratósfera no permite el intercambio de gases, incluidos los CFCs.

-En 1956, el científico británico Gordon Dobson informó acerca de un descenso de los niveles de ozono en la Antártida; en esta época los CFCs prácticamente no se usaban.

-Dobson e 1968, después de 40 años de investigaciones sobre el ozono, escribía la peculiar variación anual en el ozono en la zona de Bahía Halley (Antártida). De acuerdo a los estudios de Dobson y otros análisis, se puede deducir que: • la disminución cíclica del ozono sobre el polo Sur se debe a una combinación de factores que incluyen las erupciones volcánicas, los ciclos de manchas solares UV y el riguroso clima de la Antártida.

-Otros estudios exponen que los gases emitidos desde la superficie terrestre influyen sobre los procesos químicos y fotoquímicos de la estratósfera, modificando las condiciones físicas locales de la atmósfera (temperatura, insolación). -Protocolo de Montreal (1987) se establecieron niveles de reducción y/o cese de producción de CFCs.

El planeta ha experimentado períodos prolongados de calentamiento y enfriamiento. -Durante 4500 millones de año el clima del planeta ha sido alterado por las emisiones volcánicas, los cambios en la luz solar, el desplazamiento de los continentes, impactos de meteoritos, etc. -En los últimos 900 000 años la troposfera estuvo sometidos a períodos prolongados de enfriamiento y calentamiento (períodos glaciares e interglaciares).

(Tyler Miller, 2007)

- aumento del consumo de carburantes fósiles > emisión de CO2

- incendios forestales = aumento de CO2 y CH4

- deforestación = < actividad fotosintética y por lo tanto menor tasa de remoción de CO2 atmosférico. -Obtención de cantidades importantes de cemento que al convertir la piedra caliza en cal CaCO3 CaO + CO2

-Desgacificación de carbón y fugas: explotaciones mineras, distribución de gas natural. - aumento de vapor de agua = absorbe radiación térmica provocando un calentamiento adicional. - aporte de sustancias ajenas a la atmósfera: Clorofluorocarbonos (CFCs) hidroclorofluorocarbonos (HCFCs), el ozono troposférico y otros gases como hexafluoruro de azufre (SF6)

¿Por qué se ha producido el aumento aumento de la temperatura?

El Acta sobre Investigación en cambio climático de 1990 lo define como:

• “Cambios en el medio ambiente global (incluyendo alteraciones en el clima, en la productividad de la tierra, océanos y otros recursos hídricos, química atmosférica, y sistemas ecológicos) que pueden alterar la capacidad de la tierra de sustentar la vida”.

• Los tópicos de Cambio Global incluyen:

• 1- Comprender y predecir causas e impactos de los cambios climáticos a largo plazo y del efecto invernadero.

• 2- Respuestas potenciales de los cambios climáticos a largo plazo y del efecto invernadero.

• 3- Cambios en el ozono atmosférico y en la radiación UV.

• 4- Fluctuaciones climáticas naturales (estacionales e interanuales).

• 5- Desertificacion, deforestación, manejo de uso de la tierra, preservación de ecosistemas y biodiversidad.

Calentamiento global: se refiere a los aumentos de la temperatura media en la troposfera , los cuales a su vez provocan el cambio climático global

Cambio climático global: es un término más amplio que se refiere a los cambios en cualquier aspecto del clima del planeta, entre ellos temperatura, precipitaciones , etc.

Tyller Miller, 2007

“Modelos de circulación general (GCM) determinan como el incremento de los gases invernadero pueden influir sobre los patrones del clima global

Difieren en su resolución espacial y en como describen ciertas características de la atmósfera y de la superficie de la tierra.

“Todos predicen un aumento en la temperatura media y un aumento global de las precipitaciones.”

Desarrollo de Modelos de Circulación General: Predicciones: • variabilidad climáticas, más tormentas, •huracanes, variabilidad en las lluvias

y nevadas, dependiendo de las regiones. • aumento del nivel del mar (0.15 – 1 m por encima de los niveles actuales en el año 2100)

¿Cómo afectará a los ecosistemas?

• Cambios en: respuestas fisiológicas y de comportamiento, tasas de natalidad, habilidades competitivas de las especies, estructura comunitaria, producción y

circulación de nutrientes, descomposición de la materia orgánica, alteración de los patrones de zonación y sucesión.

• Modificación de la distribución global de los ecosistemas.

Smith & Smith, 2001

Situaciones posibles Los océanos moderan las temperatura al eliminar casi la mitad del CO2 y también absorben calor , el aumento de temperatura disminuirá la solubilidad del CO2 contribuyendo a incrementar la concentración en la atmósfera y el calentamiento

Situaciones posibles

Las temperaturas más cálidas generan más nubes que pueden calentar o enfriar la troposfera.

Contaminación del aire: los aerosoles producidos por la actividad humana pueden calentar o enfriar la tierra.

El aire más cálido puede liberar el gas metano almacenado en los suelos de pantanos y la tundra y acelerar el calentamiento global.

Tyller & Miller 2007

Efectos proyectados

-1992 Conferencia de Río sobre Medio Ambiente y Desarrollo fueron presentados diferentes informes de contenido científico y estratégico del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. -1997 se firmó el protocolo de Kyoto: primer acuerdo internacional que fijaba objetivos concretos y de obligatorio cumplimiento a los países firmantes para la reducción de emisiones de los gases que provocan el cambio climático. Se fijó en una reducción, con respecto a las emisiones realizadas en 1990, de un promedio del 5.2 % para el período 2008 - 2012 -2000 Conferencia sobre el Cambio Climático de la Haya Objetivo: aplicar los compromisos adquiridos en Kyoto, pero tras largas y confusas negociaciones fracasó ya que las opiniones y posiciones de los diferentes países asistentes, más de 180, tenían una manera particular de analizar el Cambio Climático.

Preguntas que surgieron:

¿Cuánto nos costará? ¿Cómo nos ayudarán? ¿Qué ganaremos con ello?

2001 –Tercer informe del IPCC: da más evidencias de los cambios climáticos

2007 – 4to informe: mayor certidumbre de lo que está ocurriendo, hay una probabilidad del 90 % de que el aumento de la temperatura de la Tierra se deba a la concentración de gases de efecto invernadero por el uso de combustibles fósiles, Aunque se mantuvieran las emisiones al nivel actual se afirma "con muy alta certidumbre" que el calentamiento en el siglo XXI será superior al constatado en el siglo XX

•Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC)http://www.ipcc.ch/

•Instituto Internacional para el Desarrollo Sostenible (IIDS)

http://www.iisd.ca/vol12/enb12341s.html

Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el cambio Climático ( UNFCCC) http://unfccc.int/