Contaminación del aire, lluvia ácida e inversión

¿Qué contamina el aire y qué lo deja estancado?

Contaminar el aire es soltar gases, sólidos muy finos o aerosoles líquidos más rápido de lo que el ambiente puede dispersarlos, diluirlos o absorberlos. El aire se considera contaminado cuando esas sustancias están en concentración alta, y durante suficiente tiempo, como para dañar la salud, los bienes o la visibilidad. Hay fuentes naturales, como una erupción o un incendio forestal, y fuentes humanas, como la industria y el transporte. Solo estas últimas se pueden mitigar y controlar. Los gases mayoritarios del aire limpio están en la composición del aire. ¹

Primarios y secundarios

Un contaminante primario se libera ya en forma dañina, desde una fuente que se puede señalar: automóviles, centrales, fábricas o incendios. Entran ahí el dióxido de azufre, los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono, partículas de plomo y muchos compuestos orgánicos volátiles. Un secundario se arma en la atmósfera, cuando un primario reacciona con componentes que ya estaban, como el oxígeno o el vapor de agua. Dos secundarios de examen son el ozono del esmog fotoquímico y los ácidos sulfúrico y nítrico de la lluvia ácida. El secundario puede aparecer lejos de la chimenea, y dependen del sol, de la temperatura y del tiempo. ¹

El dióxido de azufre sale al quemar combustible que trae compuestos de azufre, en gases volcánicos y al tostar menas de sulfuro como $\mathrm{ZnS}$, pirita o $\mathrm{Cu_2S}$. El óxido nítrico, $\mathrm{NO}$, es un contaminante de los motores: el nitrógeno y el oxígeno del aire reaccionan durante la combustión. También se forma cuando un rayo cruza el aire. En la troposfera, el ozono es un componente tóxico del esmog fotoquímico. En la estratosfera, en cambio, el ozono que está entre unos 10 y 50 km absorbe ultravioleta. No es el mismo problema. El filtro de esa capa y el calor que retienen otros gases están en el efecto invernadero y la capa de ozono. ^{4 5}

Lluvia ácida

La lluvia ácida es una precipitación con pH de unos 5,2 o menor. Se produce sobre todo por emisiones de dióxido de azufre, $\mathrm{SO_2}$, y de óxidos de nitrógeno ($\mathrm{NO}$ y $\mathrm{NO_2}$, que juntos se escriben NOx). Esas emisiones vienen de actividades humanas, en especial de quemar combustibles fósiles. También se llama precipitación ácida o depósito ácido. ²

Cuando la lluvia atraviesa $\mathrm{SO_2}$, el azufre queda disuelto como ácido sulfúrico débil, $\mathrm{H_2SO_4}$. El azufre también puede caer en seco, sin lluvia: es el depósito llamado fallout. Del lado del nitrógeno, la actividad humana suelta óxidos al quemar fósiles, y ese nitrógeno atmosférico se asocia con lluvia ácida en forma de ácido nítrico, $\mathrm{HNO_3}$. Esos ácidos son secundarios: no salen de la chimenea ya como ácido de la lluvia. ⁶

En un paisaje sensible, ese depósito baja el pH del agua superficial y la biodiversidad. Debilita los árboles y agota en el suelo calcio y magnesio. Puede soltar aluminio en forma disuelta y tóxica, y deteriora caliza y mármol. La frase la usó en 1852 Robert Angus Smith. El libro Air and Rain es de 1872. Como problema regional del oeste de Europa y del este de América del Norte se reconoció a finales de los años sesenta. ²

No es lo mismo que la eutrofización. Esa es el crecimiento de más microorganismos por un exceso de nutrientes, que agota el oxígeno disuelto y mata fauna del ecosistema. Los fertilizantes lavados hacia ríos y lagos empujan ese proceso. El daño por pérdida de hábitat y por otros gases va en el deterioro ambiental y sus causas. ⁶

Inversión térmica

En la troposfera la temperatura normalmente baja al subir. Si baja más rápido, el aire es más inestable y los contaminantes se mezclan en vertical. Una inversión es el caso contrario: aire frío junto al suelo y una capa más cálida encima. También se llama inversión térmica. Esa capa tapa la convección, y el polvo y el humo no suben. La visibilidad puede caer aun sin nubes, y en la base fría es frecuente la niebla. ^{1 3}

Hay cuatro tipos. La de suelo aparece sobre todo en noches despejadas, cuando el suelo se enfría por radiación y enfría el aire en contacto. En terreno ondulado el aire frío escurre a las hondonadas. La de turbulencia deja aire en calma encima de aire revuelto: la mezcla baja calor y el aire quieto de encima queda más cálido. La de subsidencia es una capa extensa que baja, se comprime y se calienta, a menudo bajo un centro de alta presión. La frontal tiene pendiente: la masa fría se mete bajo la cálida y la levanta. Las otras tres son casi horizontales. ³

Con poco movimiento vertical el episodio puede ser agudo. Los Ángeles, en una llanura rodeada de montañas, se estanca con facilidad. La Gran Niebla de Londres, cinco días de 1952, se relacionó de forma directa con más de 4.000 muertes. ¹

Ideas clave

• Primario: sale ya dañino de una fuente identificable. Ejemplos: $\mathrm{SO_2}$, óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, partículas de plomo y muchos orgánicos volátiles. ¹
• Secundario: se forma en el aire. El ozono del esmog fotoquímico y los ácidos de la lluvia ácida son secundarios. ¹
• La lluvia ácida tiene un pH de unos 5,2 o menor y viene sobre todo de $\mathrm{SO_2}$ y NOx al quemar fósiles. En el agua de lluvia el $\mathrm{SO_2}$ pasa a ácido sulfúrico débil. ^{2 6}
• En la troposfera la temperatura normalmente baja con la altura. En una inversión sube, el aire frío queda abajo y los contaminantes no se elevan. ^{1 3}
• El $\mathrm{NO}$ de los motores sale de nitrógeno y oxígeno del propio aire durante la combustión. El $\mathrm{SO_2}$ sale de combustibles con azufre, de volcanes y del tostado de sulfuros. ^{5 4}

Ejemplos resueltos

Clasificar tres sustancias

Una chimenea suelta $\mathrm{SO_2}$ al quemar un combustible con azufre. Ese gas es primario: sale de la fuente. Horas después, la lluvia que atraviesa ese $\mathrm{SO_2}$ lleva ácido sulfúrico débil. El ácido de esa lluvia es secundario. El ozono que se mide en el esmog de la tarde, formado con sol a partir de otros contaminantes, también es secundario. No se anota como si el escape lo soltara ya formado. El $\mathrm{NO}$ del mismo escape, producido al reaccionar $\mathrm{N_2}$ y $\mathrm{O_2}$ en la combustión, sí es primario. ^{1 6 5}

Dos valores de pH

Una muestra de lluvia tiene pH 4,6. Está por debajo de unos 5,2, así que entra en la definición de lluvia ácida. Otra muestra tiene pH 6,1. No entra en ese corte. El criterio no es "cualquier lluvia", porque el agua de lluvia siempre arrastra gases. El corte de estas fichas es el pH de unos 5,2 o menor, ligado sobre todo a $\mathrm{SO_2}$ y NOx de la quema de fósiles. ²

Leer una inversión con dos temperaturas

A ras de suelo el aire está a 12 °C. A 400 m está a 16 °C. La temperatura sube con la altura, así que hay inversión: la capa cálida tapa el aire frío de abajo. El humo de una avenida no sube más allá de esa tapa y la visibilidad puede caer por el polvo y el humo acumulados. Si a 400 m el aire estuviera a 8 °C, la temperatura bajaría con la altura, que es lo normal en la troposfera, y la mezcla vertical sería posible. El número 12 °C no es una constante del fenómeno: lo que decide es el sentido del cambio. ^{3 1}

Errores comunes

• Llamar primario al ozono del esmog o al ácido de la lluvia. Esos dos se forman en la atmósfera.
• Creer que en la inversión el suelo está más caliente que el aire de encima. Es al revés del perfil normal: abajo frío, arriba más cálido.
• Usar "lluvia ácida" para cualquier lluvia. Aquí el pH es de unos 5,2 o menor.
• Confundir eutrofización con lluvia ácida. Una es exceso de nutrientes y caída del oxígeno disuelto. La otra es el depósito ácido.
• Tratar el ozono de la estratosfera como el ozono tóxico de la troposfera. El de arriba, entre unos 10 y 50 km, absorbe ultravioleta.

Cómo lo pregunta el examen

El reactivo pide clasificar un contaminante o explicar por qué el humo no sube. Si el gas sale de la chimenea o del escape, es primario. Si el texto dice que se formó en el aire con sol o con agua de lluvia, es secundario: ozono del esmog, o ácidos de la lluvia. En la inversión, la temperatura aumenta con la altura y esa capa frena la mezcla hacia arriba. En el perfil normal de la troposfera, la temperatura disminuye con la altura. Para la lluvia, un pH de unos 5,2 o menor, con $\mathrm{SO_2}$ y NOx de fósiles, es el criterio. No se cambia por "exceso de fertilizante": eso empuja la eutrofización.

Resumen

• Contaminar es superar la capacidad del aire para dispersar, diluir o absorber lo que se suelta.
• Primarios: $\mathrm{SO_2}$, NOx, monóxido de carbono, partículas de plomo y muchos orgánicos volátiles, desde una fuente concreta.
• Secundarios: ozono del esmog fotoquímico y ácidos sulfúrico y nítrico de la lluvia ácida.
• Lluvia ácida: pH de unos 5,2 o menor, sobre todo por $\mathrm{SO_2}$ y NOx al quemar fósiles.
• Inversión térmica: aire frío abajo y capa cálida arriba. El humo y el polvo no suben, y la visibilidad puede caer.