La actividad humana está alterando la compleja mezcla de gases que forman la atmósfera. Algunos efectos, como la lluvia ácida y la contaminación, han alcanzado




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Una atmósfera cambiante

La actividad humana está alterando la compleja mezcla de gases que forman la atmósfera. Algunos efectos, como la lluvia ácida y la contaminación, han alcanzado ya niveles preocupantes; quizá no sean ésas las únicas sorpresas
Thomas E. Graedel y Paul J. Crutzen
La atmósfera terrestre nunca ha estado libre de cambios. Su composición, temperatura y capacidad de auto limpieza han variado desde que se formó el planeta. Pero el ritmo adquirido en los dos últimos siglos ha sido clamoroso: la composición de la atmósfera, en particular, ha cambiado con una celeridad desconocida en cualquier otra época de la historia humana.

Los efectos de los cambios que se están produciendo, y que se manifiestan con creciente claridad, abarcan la deposición ácida por la lluvia y otros procesos, la corrosión de los materiales, la bruma urbana y el adelgazamiento de la capa de ozono estratosférica (O3) que protege la Tierra de la dañina radiación ultravioleta. Los científicos que estudian la atmósfera esperan también que el planeta no tarde en calentarse (produciendo alteraciones climáticas potencialmente espectaculares) debido a la intensificación del efecto de invernadero: el calentamiento de la Tierra por los gases que absorben radiación infrarroja, emitida por la superficie del planeta calentada por el Sol, y la envían luego a la Tierra.
Por sorprendente que parezca, fenómenos tan importantes no tienen su origen en modificaciones de los componentes atmosféricos principales. Dejando aparte el contenido en vapor de agua, que varía de manera muy amplia, las concentraciones de los gases que constituyen más del 99,9 por ciento de la atmósfera -nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y los gases nobles completamente inertes- se han mantenido casi constantes durante mucho más tiempo que el que los seres humanos llevan sobre la Tierra. Los efectos se deben en gran parte, a las variaciones (aumentos sobre todo) de los niveles de algunos de los componentes atmosféricos menos abundantes, o gases traza. Citaremos el dióxido de azufre (SO2), dos óxidos de nitrógeno que responden a la denominación colectiva de NOx -el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2)- y varios clorofluorcarbonos (compuestos que contie­nen cloro, flúor, carbono y algunas veces hidrógeno).

El dióxido de azufre, por ejemplo, rara vez llega a 50 partes por mil millones de la atmósfera, aun cuando las emisiones del mismo sean las mayores, y, pese a ello, contribuye a la lluvia ácida, a la corrosión de piedras y metales y a la incómoda reducción de visibilidad. Los compuestos NOx que son igualmente escasos, revisten interés en la formación de la lluvia ácida y de la bruma fotoquí­mica, como se conoce el producto de reacciones químicas desencadenadas en la atmósfera por la radiación solar. Los clorofluorcarbonos, que en cuanto grupo constituyen apenas una parte en mil millones de la atmósfera, son los responsables principales de la erosión de la capa de ozono estratosférico. Además, los crecientes niveles de los clorofluorcarburos, junto con el metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y dióxido de carbono (CO2) -de lejos el más abundante de los gases traza, con 350 partes por millón- están intensificando el efecto de invernadero.

El radical hidroxilo (OH), fragmento molecular altamente reactivo, influye también en la actividad atmosférica, aun cuando sea mucho más escaso que otros gases, con una concentración de menos de 0,0001 partes en mil millones. El hidroxilo, sin embargo, cumple una función distinta: contribuye a limpiar la atmósfera. Su concentración en ella podría disminuir en el futuro.

La fluctuación en la concentración de los componentes atmosféricos obedece, en parte, a las variaciones que se producen en la tasa de emisión de las fuentes naturales. Los volcanes, por ejemplo, pueden arrojar a la troposfera (los 10 a 15 kilómetros más bajos de la atmósfera) y a la estratosfera (que se extiende aproximadamente desde 10 a 50 kilómetros sobre el suelo) gases que contienen azufre y cloro. Sin embargo, sigue en pie el hecho de que las actividades de los seres humanos dan cuenta de los cambios más rápidos en los últimos 200 años. Actividades entre las que hemos de señalar la combustión de combustibles fósiles (carbón y petróleo) para producir energía, ciertas prácticas industriales y agrícolas, la combustión de biomasa (quema de vegetación) y la deforestación.
Hasta aquí está claro. Pero, ¿cuáles son las actividades humanas que generan cada clase de emisiones? ¿Por qué la alteración de las concentraciones de los gases traza da lugar a semejante rosario de efectos? ¿En qué medida se han agravado los problemas y qué consecuencias arrastran para el planeta? Aunque la respuesta cabal a tales cuestiones está todavía en el alero, los esfuerzos multidisciplinarios de químicos, meteorólogos, físicos solares y espaciales, geofísicos, biólogos, ecólogos y otros están avanzando con pie firme.
La colaboración interdisciplinaria se hace imprescindible, dada la complejidad de los factores que rigen el destino de los gases en la atmósfera y sus interacciones con la biosfera, amén de la falta de conocimientos sobre ello. Así, las reacciones químicas que un gas experimenta en la atmósfera pueden variar a tenor de la mezcla local de gases y partículas, la temperatura, la intensidad de la radiación solar, la presencia de diferentes clases de nubes o precipitación y la distribución de vientos (que arrastran a los productos químicos horizontal y verticalmente). Las reacciones, a su vez, determinan el tiempo que un gas permanece en la atmósfera y, con ello, si el gas o sus productos finales producen efectos globales o más localizados sobre el entorno.
Frutos de esas investigaciones ha sido una mejor comprensión de las emisiones producidas por determinadas actividades humanas. Se sabe que la combustión de combustibles fósiles para la producción de energía libera cantidades sustanciales de dióxido de azufre (sobre todo si se usa carbón), óxidos de nitrógeno (que se forman por la reacción del oxígeno y el nitrógeno del aire cuando se queman dichos combustibles fósiles a elevada temperatura) y dióxido de carbono. Si la combustión es incompleta, genera también monóxido de carbono (CO), cierto número de hidrocarburos (entre ellos, metano) y hollín (partículas de carbono). Otras actividades industriales arrojan cantidades adicionales de dióxido de azufre (un ejemplo es la siderurgia) o inyectan en la atmósfera clorofluorcarbonos o metales tóxicos.
Ciertas prácticas agrícolas emiten, asimismo, gases diversos. La quema de bosques y praderas en la sabana de las regiones tropicales y subtropicales, para crear pastizales o cultivos, origina grandes cantidades adicionales de monóxido de carbono, metano y óxidos de nitrógeno. Además, el suelo descubierto después de talar los bosques emite óxido nitroso, como lo hacen también los fertilizantes ricos en nitrógeno que abonan los campos. La cría de animales domésticos constituye otra fuente importante de metano (liberado por las bacterias anaerobias del tubo digestivo del ganado y otros rumiantes), como lo es el cultivo de arroz, dieta habitual de muchos habitantes de los trópicos y subtrópicos.
Las investigaciones recientes han posibilitado una mejor definición de los efectos producidos por el aumento de las emisiones antropogénicas. En ese sentido, sabemos ya que la "lluvia ácida" (fenómeno muy estudiado y en el que se inscriben también nieve, nieblas y rocío ácidos) se forma principalmente como un producto secundario de interacciones atmosféricas en las que toman parte los gases NOx y el dióxido de azufre. A través de distintas reacciones, la combinación con el radical hidroxilo es una, esos gases se convierten, en cuestión de días, en ácido nítrico (HNO3) y ácido sulfúrico (H2SO4), ambos fácilmente solubles en agua. Cuando las gotas acidificadas caen a la superficie terrestre, forman la lluvia ácida.






2. DESTINO DISPAR DE LAS EMISIONES en la atmósfera. Un gas (flechas anaranjadas) inerte e insoluble en agua (a) se difundirá en toda la troposfera (los 10 a 15 kilómetros más bajos) y, en algunos casos, hasta la estratosfera, que se extiende de 10 a 50 kilómetros por encima de la superficie, aunque una parte puede ser absorbida por el suelo y las superficies acuáticas (b). Si el gas es soluble, puede, por contra, disolverse en la humedad de las partículas (e) o en gotas de agua (d), principalmente en las nubes. Las partículas y las gotas transportan, entonces, el gas hasta el suelo (flechas verdes) directamente (e) o en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío (f). La mayoría de los gases son lo suficientemente reactivos para experimentar cambios en la atmósfera (g), impulsados sobre todo por la interacción con el radical hi· droxilo (OH). Los productos gaseosos resultantes (flechas púrpura) se depositan a veces directamente en el suelo (h); ahora bien, como suelen ser más solubles que sus precursores, se incorporan más fácilmente en partículas mojadas (1) y, directamente (j) o indirectamente (k), en gotas de agua. Los productos gaseosos tienden, por ello, a ser eliminados (e, f) muy pronto y, a diferencia de sus predecesores, es mucho menos probable que se difundan por encima de la troposfera. El destino de las partículas inyectadas (flechas negras) es similar al de los gases. Pueden depositarse directamente (l), o incorporarse en el agua (m), para volver a la Tierra en forma de precipitación (f).


Como las gotas de agua se eliminan enseguida de la atmósfera, la lluvia ácida no constituye un fenómeno global, sino regional o continental. En cambio, la vida media de otros gases traza, entre ellos el metano, el dióxido de carbono, los clorofluorcarbonos y el óxido nitroso, es mucho más prolongada [véase el recuadro inferior de la figura 3]; significa ello que estos gases se dispersan de manera bastante uniforme a través de la atmósfera, causando efectos globales.
Desde el comienzo de la revolución industrial, a mediados del siglo XVIII, la acidez de la precipitación (medida por la concentración de iones hidrógeno) ha aumentado en muchos lugares. Por ejemplo, desde 1900 se ha cuadruplicado en el nordeste de los EE. UU., siguiendo el aumento de las emisiones de dióxido de azufre y gases NOx. En otros lugares de las zonas industrializadas del mundo, se han encontrado aumentos similares. Se ha detectado también lluvia ácida en los trópicos, sin apenas industria; allí se debe, sobre todo, al desprendimiento de gases NOx e hidrocarburos por combustión de la biomasa.
La lluvia ácida no es el único camino a través del cual los ácidos sulfúrico y nítrico de la troposfera encuentran la superficie terrestre. Los ácidos también se depositan "secos", en forma de gases o componentes de partículas microscópicas. La realidad es que hay un creciente conjunto de pruebas que atribuyen a la deposición seca los mismos problemas ambientales que produce la húmeda.
La lluvia ácida somete muchos ecosistemas a graves tensiones. Aunque queda mucho por conocer sobre las interacciones específicas entre esa deposición y la fauna lacustre, constitución de los suelos y diferentes tipos de vegetación, se sabe que la lluvia ácida ha aumentado la acidez de los lagos de Escandinavia, el nordeste de los EE.UU. y el sudeste de Canadá, restringiendo el tamaño y la diversidad de las poblaciones de peces. Lluvia que aparece involucrada en los daños que se han descubierto en los bosques de ciertas partes de Europa y del nordeste de los EE.UU.
Hay pocas dudas de que los ácidos depositados desde la troposfera contribuyan también a la corrosión de objetos al aire libre, edificios y obras de arte, sobre todo en las zonas urbanas; sólo en los Estados Unidos, esa agresión cuesta, al año, decenas de miles de millones de dólares en reparaciones y repuestos de equipos. Las partículas que contienen sulfato (SO42-) producen además otros efectos. Al difundir eficazmente la luz, reducen la visibilidad; y, por su influencia sobre el albedo de las nubes, pueden tener importantes implicaciones con respecto al clima.
La bruma fotoquímica que vela las ciudades y sus arrabales es otra consecuencia negativa de la vida moderna. Con ese tecnicismo se alude a la mezcla indeseable de gases que se forma en la baja troposfera cuando la radiación solar actúa sobre emisiones antropogénicas (sobre todo los gases NOx y los hidrocarburos de los escapes de vehículos) para producir gases reactivos que lesionan los organismos.
El ozono, uno de los productos más importantes de tales reacciones fotoquímicas, es, por sí solo, causa principal de la irritación de los ojos producida por dicha bruma, de dificultades respiratorias y daños a los árboles y a las cosechas. La gravedad de esa bruma se estima, por tanto, atendiendo a las concentraciones de ozono a nivel del mar. En otras palabras, la misma molécula de oxígeno triatómico que resulta decisiva para absorber la radiación ultravioleta en la estratosfera, donde se concentra alrededor del 90 por ciento del ozono atmosférico, representa un problema cuando se acumula en exceso cerca de la superficie terrestre.

REACCIONES QUIMICAS EN LA ATMOSFERA

LOS OXIDANTES COMO DETERGENTES. Las especies moleculares que inician la mayoría de las reacciones atmosféricas ("oxidantes" en la terminología de los químicos) se pueden considerar como detergentes porque transforman gases en productos solubles en agua, facilitando así su eliminación en forma de precipitación. El ozono (O3), un importante oxidante, participa también en la formación de otro detergente: el radical hidroxilo (OH), que interacciona con casi todas las especies moleculares de la atmósfera. Muchos de los gases traza que se han emitido a la atmósfera estarían todavía en ella si no fuera por estas substancias. El radical hidroxilo se forma después de que la luz ultravioleta (hf) disocie el ozono, dejando libre un átomo de oxígeno (O*) altamente energético, y por ello altamente reactivo, que se combina después con una molécula de agua:

hf

a) O3 → O* + O2 b) O* + H2O → 2 OH

OZONO ESTRATOSFERICO: FORMACION Y DESTRUCCION. El ozono se forma cuando las moléculas de oxígeno (O2) se disocian por la radiación ultravioleta y los átomos de oxígeno resultantes se combinan con otra molécula de oxígeno:

hf

a) O2 → O + O b) O + O2 → O3

Los átomos de cloro de los compuestos clorofluorcarbonados lanzados a la atmósfera desempeñan un papel fundamental en uno de los ciclos catalíticos más eficaces para la destrucción del ozono estratosférico. El ciclo comienza con la ruptura de una molécula de ozono por el cloro atómico y la formación de monóxido de cloro (ClO) y oxígeno molecular:

a) Cl + O3 → ClO + O2

El monóxido de cloro reacciona entonces con un átomo de oxígeno (formado por fotodisociación de otra molécula de ozono) y libera el cloro, que puede, de nuevo, iniciar el ciclo:

a) ClO + O → Cl + O2

Los óxidos de nitrógeno destruyen el ozono; pueden también oponerse a ese ciclo. Por ejemplo, el dióxido de nitrógeno puede eliminar de la circulación al monóxido de cloro, combinándose con él para formar nitrato de cloro (ClNO3).


A finales del siglo XIX, los investigadores comenzaron a medir los niveles de ozono en la atmósfera; lo hicieron primero desde el suelo y después en la propia atmósfera, ayudados por complicados equipos que se elevan hasta la misma. De acuerdo con datos de primera hora, el nivel "natural" de ozono en la proximidad del suelo, en un punto de medida en Europa hace aproximadamente un siglo, era de unas 10 partes por mil millones. Hoy, las concentraciones habituales a ras del suelo en Europa occidental se han multiplicado de dos a cuatro veces. Y en Europa occidental, California, la parte oriental de los EE.UU. y Australia abundan ya los registros frecuentes de concentraciones que decuplican el nivel natural.
La bruma fotoquímica empieza a dejarse sentir en amplias regiones de los trópicos y subtrópicos; la trae la quema periódica de gramíneas en las sabanas; hasta una vez cada año se prende fuego a los mismos territorios. Esta práctica desprende grandes cantidades de precursores de la bruma fotoquímica. Por ser abundante e intensa la radiación solar en esas regiones, y desarrollarse rápidamente las reacciones fotoquímicas, los niveles de ozono no tardan en quintuplicar la concentración normal. El crecimiento de la población en los trópicos y subtrópicos provocará una mayor presencia allí del aire insano. Una perspectiva nada halagüeña: la composición de sus suelos podría provocar una vulnerabilidad de los ecosistemas a la bruma fotoquímica más inerme que la capacidad de resistencia de los ecosistemas de latitudes medias.

GAS

EFECTO DE

INVERNADERO

DESTRUCCION

DE OZONO

ESTRATOSFERICO

LLUVIA

ACIDA

BRUMA

FOTO-

QUIMICA

CORROSION

DISMINUCION

DE LA

VISIBILIDAD

REDUCCION DE LA

CAPACIDAD ATMOS-

FERICA DE

AUTOLlMPIEZA

MONOXIDO DE

CARBONO (CO)



















+

DIOXIDO DE CARBONO

(CO2)

+

+/-
















METANO (CH4)

+

+/-













+/-

NOx: OXIDO NITRICO

(NO) Y DIOXIDO DE

NITROGENO (NO2)




+/-

+

+




+

-

OXIDO NITROSO (N2O)

+

+/-
















DIOXIDO DE AZUFRE

(SO2)

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+




CLOROFLUOR-

CARBONOS

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+
















OZONO (O3)

+







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