1 CONTAMINACIÓN DEL AIREProf. Jesús Olivero Verbel. Ph.D. Grupo de Química Ambiental y Computacional Universidad de Cartagena

2 Contaminación del Aire Prof. Jesús Olivero Verbel. Ph.D.Parte I Prof. Jesús Olivero Verbel. Ph.D.

3 En promedio, cada persona respira diariamente alrededor de 20,000 litros de aire.Cada vez que respiramos estamos expuestos a inhalar químicos peligrosos que se han depositado en el aire. La contaminación del aire incluye todos los contaminantes encontrados en la atmósfera. Estas sustancias pueden estar en forma de gases o partículas

4 La polución del aire puede ser encontrada tanto en exteriores (outdoors) como en interiores (indoors). Los contaminantes pueden ser atrapados en el interior de los edificios causando que la polución interior pueda permanecer por períodos largos de tiempo. Las fuentes de polución del aire pueden ser tanto antropogénicas como naturales. Hoy día, los humanos son responsables de la mayoría de la polución de nuestra atmósfera.

5

6 La Atmósfera

7 CO (Monóxido de Carbono)Gases Contaminantes CO (Monóxido de Carbono) Gas incoloro e inodoro que se combina con la hemoglobina para formar la carboxihemoglobina, complejo tóxico que puede llegar a concentraciones letales. Es originado por la combustión incompleta de hidrocarburos y sustancias que contienen carbono, tales como la gasolina, el diesel, etc.. Otra fuente importantede formación del monóxido de carbono son los incendios. La carboxihemoglobina afecta al sistema nervioso central provocando cambios funcionales cardíacos y pulmonares, dolor de cabeza, fatiga, somnolencia, problemas respiratorios y hasta la muerte

8 Dióxido de Nitrógeno Gas café rojizo de olor picante.Generado durante la combustión a alta temperatura en industrias y vehículos, al igual que en las tormentas eléctricas. Irrita los pulmones. Potencializa las enfermedades respiratorias y cardiovasculares. Promueve la caída prematura de las hojas e inhibición del crecimiento. Disminución la visibilidad.

9 Química de la Lluvia Ácida

10 Gas incoloro con olor picante que al oxidarseDióxido de Azufre (SO2) Gas incoloro con olor picante que al oxidarse y combinarse con agua forma ácido sulfúrico, principal componente de la lluvia ácida. Es formado durante la combustión de carbón, diesel, combustóleo y gasolina con azufre. Fundición de betas metálicas ricas en azufre, procesos industriales y erupciones volcánicas.

11 Dióxido de Azufre Salud.- Irrita los ojos y el tracto respiratorio. Reduce las funciones pulmonares y agrava las enfermedades respiratorias como el asma, la bronquitis crónica y el enfisema. Materiales.- Corroe los metales; deteriora los contactos eléctricos, el papel, los textiles, las pinturas, los materiales de construcción y los monumentos históricos. Vegetación.- Provoca lesiones en las hojas y reducción en la fotosíntesis.

12 Que son los óxidos de nitrógeno?Fuentes de Nox Que son los óxidos de nitrógeno? Cuáles son sus fuentes?

13 2NO2(g) + H2O(l) = 2H+ + NO3- + NO2- HO + NO2 = HONO2 2NO2(g) + H2O(l) = 2H+ + NO3- + NO2- NO(g) + NO2(g) + H2O(l) = 2H+ + 2NO2- 3NO2(g) + H2O(l) = 2H+ + 2NO3- + NO(g)

14 <5.5 5 <5 <4.0 Efectos del pH en las formas deVida de los lagos <5.5 Formas básicas de vida desaparecen. (Insectos y larvas ) “Niveles bajos de la cadena trófica” 5 Los peces no pueden reproducirse Los que sobreviven tienen serias dificultades Peces deformes debido a la falta de nutrientes Peces mueren de asfixia <5 La población de peces desaparece <4.0 Si sobrevive alguna forma de vida tiende a desaparecer

15 Regional distribution of areas with fish stocks affected by acidification in Norway Source: DN, Directorate for Nature Management.

16 Excess depositions of SO2 in Europe (in tons per square kilometer).

17                                                                

18

19

20

21

22

23 Figure over the portal of a castle in Westphalia, Germany, photographed in 1908 (left) and again in 1968 (right).

24 La vivienda, un arsenal de contaminantes….

25 HIDROCARBUROS ORGÁNICOS VOLÁTILES(VOCs) Fuentes: Productos de limpieza, pinturas, preservativos de madera, Aerosoles, productos para automóviles, etc. Efectos Irritación de ojos, nariz y garganta. Dolor de cabeza Pérdidad de la coordinación. Vómitos Daño renal, hepático y del Sistema Nervioso Central Cáncer?? Por lo general, los niveles de VOCs en interiores son entre 2-5 veces más altos que en exteriores. Durante varias horas immediatamente luego de ciertas actividades (pintura) los niveles pueden ser hasta 1,000 veces las concentraciones background de exteriores.

26

27 Partículas de sal en el spray marino Polvo y partículas de arcillaAEROSOL Material particulado sólido o líquido de mayor tamaño que una molécula pero suficientemente pequeño para permanecer suspendido en la atmósfera. Fuentes naturales Partículas de sal en el spray marino Polvo y partículas de arcilla Los aerosoles son fundamentales en la atmósfera como núcleos para la condensación de las gotas de agua, participación en varios ciclos biogeoquímicos, y como ADSORBENTES Y REFLEJADORES de la luz solar.

28 Partículas Suspendidas en su Fracción Respirable (PM-10)Partículas sólidas o líquidas dispersas en la atmósfera (su diámetro oscila entre 0.3 y 10 µm) como polvo, cenizas, hollín, partículas metálicas, cemento o polen. La fracción respirable de PST, conocida como PM-10, está constituida por aquellas partículas de diámetro inferior a 10 micras, que tienen la particularidad de penetrar en el aparato respiratorio hasta los alvéolos pulmonares. Combustión industrial y doméstica del carbón, combustóleo y diesel; procesos industriales; incendios, erosión eólica y erupciones volcánicas. 150 µg/m3 (microgramos sobre metro cúbico) en un promedio de 24 horas.

29 Partículas Suspendidas en su Fracción Respirable(PM-10) Salud.- Irritación en las vías respiratorias; su acumulación en los pulmones origina enfermedades como la silicosis y la asbestosis. Agravan el asma y las enfermedades cardiovasculares. Materiales.- Deterioro en materiales de construcción y otras superficies. Vegetación.- Interfieren en la fotosíntesis. Otros.- Disminuyen la visibilidad y provocan la formación de nubes.

30 Nimbus-7/TOMS Aerosol Index: Observa como el polvo del Sahara puede distribuirse por todo el planeta...

31

32 Las quemas en el Amazonas son extensas y generan aerosoles..

33 El ozono, nuestra protección contra el sol.....

34

35

36

37 Las Reacciones ChapmanReacciones de destrucción y formación del Ozono O2 + hv O + O O + O2 O3 O3 + hv O2 + O O + O2 O3 (1/v = longitud de onda < ~ 240 nm) O + O3 O2 + O2 Las Reacciones Chapman

38 Principales Reacciones de pérdida del ozonoO + H2O OH + OH OH + O3 HO2 + O2 HO2 + O OH + O2 + O2 O + N2O NO + NO NO + O NO2 + O2

39 Br + O3 BrO + O2 ClO + BrO Cl + Br + O2 Cl + O3 ClO + O2Los Compuestos Cloro-Fluoro Carbonados (CFCs) deben ser transformados Por radiación UV para ser nocivos al Ozono Cl + O ClO + O2 Br + O BrO + O2 ClO + BrO Cl + Br + O2

40

41 Organohalogen compound concentrations in the boundary layer and the respective photoytic lifetimes a. Concentration LifeTime CH3Cl ~ 630 ppt ~ 1yr CH2Cl2 ~ 32 ppt 83 days CH3Br 20 – 40 ppt 1 - 2 yrs CHBr3 Days CH3I 1-30 ppt 3-4 days CH2I2 up to 1 ppt c 5 min b CH2ClI 10 h CH2BrI up to 1 pp c 45 min b

42 Una unidad DOBSON es la medida básica usada en investigación del ozono. La unidad debe su nombre a G.M Dobson, quien fue uno de los primeros científicos que investigó el ozono atmosférico (~1920 – 1960). Dobson diseñó el Espectrofotómetro Dobson, un instrumento usado para medir el ozono desde el suelo. El equipo mide la intensidad de la radiación ultravioleta solar a 4 longitudes de onda. Dos de ellas son absorbidas por el ozono y las otras dos no.

43

44 La reducción en la capa de ozono, una realidad…

45 Protocolo de Montreal El primer convenio internacional para restringir el uso de CFCs surgió a partir del Protocolo de Montreal, firmado en El protocolo fijó como objetivo la reducción a la mitad en en el uso de CFS para el año 2000. Dos revisiones a este protocolo han sido realizadas, la última en En esta oportunidad el acuerdo logrado permitirá el control de la producción industrial de halocarbonos hasta el Los principales CFCs no serán producidos por ninguno de los firmantes al final del 1995, excepto para un limitado uso de aplicaciones médicas.

46

47 The Planet Earth September 2000

48

49 The Planet Earth September 2000

50

51 O3 Que es el Ozono? Ozono Superficial y AtmosféricoOzono Estratosférico (“Capa de Ozono) Protege la tierra de la radiación UV. Ozono superficial. Contaminante ambiental. Smog fotoquímico.

52 Fuentes de Ozono Descargas eléctricas a través del aire:Tormentas. Fotocopiadoras O2 + Energía Eléctrica  O + O O + O2  O3 Fotoquímica (Luz UV) O2 + Luz UV  O + O O + O2  O3 Formación de Smog Fotoquímico. N2 + O2  2 NO. Motores de atomóviles. 2 NO + O2  2 NO2 NO2 + Luz Solar  NO + O O + O2  O3

53 La Estratosfera P= 1/10 - 1/100 snm. Temperatura? Estratosfera 20 kmTroposfera 10 km Temperatura? Litosfera

54 El ozono, nuestra protección contra el sol.....

55 Formación de Ozono en la EstratosferaO2 + UVC  O + O O + O2  O3 O3 + UVB  O + O2 O + O2  O3 Y el ciclo continua. El ciclo del ozono permite que la radiación UV de alta energía (UV-C y UV-B) sea absorbida en la estratosfera antes de alcanzar la troposfera. “La capa de Ozone” actúa como una “Barrera UV” El Ozono es sintetizado y destruido de manera permanente.

56

57

58 Global Ozone Distribution

59

60

61

62 Ozono Estratosférico Sobre VancouverOct 31, 2001 = 290 DU Oct 29, 2002 = 340 DU

63 Why has caused the depletion Stratospheric Ozone over some regions of the Earth?

64 CFCs Clorofluorocarbonos Ejemplo: CF2Cl2 (dichlorodifluromethane)Desarrollados por la General Motors en 1928. Refrigerantes No-tóxicos. No-inflamables. Refrigerantes anteriores: Amoníaco (NH3) Butano (C4H10)

65 CFCs son estables. No reaccionan en la TroposferaCFCs son estables. No reaccionan en la Troposfera. Al alcanzar la Estratosfera, pueden reaccionar por efecto de la luz ultravioleta.

66 Reaction of CF2Cl2 in the stratosphereCF2Cl2 + UV  CF2Cl + Cl Cl + O3  ClO + O2 ClO + O  Cl + O2 and the Cl atom is free to continue its cycle of destruction Cl speeds up (catalyzes) the conversion of O3 to O2

67 Fact: CFCs are DENSER than air How do they get to the stratosphere?

68 LA DESTRUCCIÓN DE LA CAPA DE OZONOCFCs pueden alcanzar la Estratosfera. CFCs reaccionan con luz UV y liberan átomos de Cl. Un átomo de Cl reacciona con moléculas de O3  CFCs   Cl  ↓ O3 Menos O3  Menos UV absorbido en la estratosfera. Más UV llega a troposfera. Algunos átomos de Cl pueden quedar atrapados en “moléculas de almacenamiento” por reacción con metano (CH4) o dióxido de nitrógeno (NO2). Cl + CH4  HCl + CH3 ClO + NO2  ClONO2 HCl y ClONO2 son“moléculas de almacenamiento de Cl

69 The Nobel Prize in Chemistry 1995Mario Molina and F. Sherwood Rowland (University of California, Irvine) In June 1974 they published the first scientific evidence of a link between CFCs and stratospheric O3 depletion in the journal Nature (Nature Vol 249, June 29, 1974) “Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: chlorine atom-catalyzed destruction of ozone” The Nobel Prize in Chemistry 1995

70 El hueco en la capa de Ozono AntarcticaVortice Polar. Región fría. Nubes polares estratosféricas. Partículas congeladas; Reservorios de cloro. ClONO2 + HCl  Cl2 + HNO3. El Cl2 es acumulado durante el invierno. Al llegar la primavera: Cl2 + luz  Cl + Cl La liberación de átomos de Cl disminuyen los niveles de ozono. Efectos de la Luz UV Daño a nivel de DNA. Mutaciones. Cáncer. Alteraciones en el sistema inmune. Pérdida de vida vegetal. Impacto negativo en ecosistemas de océanos. Fitoplancton y Zooplancton.

71

72 Las Reacciones ChapmanReacciones de destrucción y formación del Ozono O2 + hv O + O O + O2 O3 O3 + hv O2 + O O + O2 O3 (1/v = longitud de onda < ~ 240 nm) O + O3 O2 + O2 Las Reacciones Chapman

73 Principales Reacciones de pérdida del ozonoO + H2O OH + OH OH + O3 HO2 + O2 HO2 + O OH + O2 + O2 O + N2O NO + NO NO + O NO2 + O2

74 Organohalogen compound concentrations in the boundary layer and the respective photoytic lifetimes a. Concentration LifeTime CH3Cl ~ 630 ppt ~ 1yr CH2Cl2 ~ 32 ppt 83 days CH3Br 20 – 40 ppt 1 - 2 yrs CHBr3 Days CH3I 1-30 ppt 3-4 days CH2I2 up to 1 ppt c 5 min b CH2ClI 10 h CH2BrI up to 1 pp c 45 min b

75 Una unidad DOBSON es la medida básica usada en investigación del ozono. La unidad debe su nombre a G.M Dobson, quien fue uno de los primeros científicos que investigó el ozono atmosférico (~1920 – 1960). Dobson diseñó el Espectrofotómetro Dobson, un instrumento usado para medir el ozono desde el suelo. El equipo mide la intensidad de la radiación ultravioleta solar a 4 longitudes de onda. Dos de ellas son absorbidas por el ozono y las otras dos no.

76 Protocolo de Montreal El primer convenio internacional para restringir el uso de CFCs surgió a partir del Protocolo de Montreal, firmado en El protocolo fijó como objetivo la reducción a la mitad en en el uso de CFS para el año 2000. Dos revisiones a este protocolo han sido realizadas, la última en En esta oportunidad el acuerdo logrado permitirá el control de la producción industrial de halocarbonos hasta el Los principales CFCs no serán producidos por ninguno de los firmantes al final del 1995, excepto para un limitado uso de aplicaciones médicas. La reducción en la capa de ozono, una realidad…

77 The Planet Earth September 2000

78

79

80 El panorama completo…

81 Peligro para la salud de algunos grupos Muy Peligroso para la saludIndice de calidad de aire para Ozono AIR QUALITY INDEX Valores Descriptores Características 0 to 50 Bueno None. 51 to 100 Moderado Unusually sensitive people should consider limiting prolonged outdoor exertion. 101 to 150 Peligro para la salud de algunos grupos Active children and adults, and people with respiratory disease, such as asthma, should limit prolonged outdoor exertion. 151 to 200 Peligroso para la salud Active children and adults, and people with respiratory disease, such as asthma, should avoid prolonged outdoor exertion; everyone else, especially children, should limit prolonged outdoor exertion. 201 to 300 Muy Peligroso para la salud Active children and adults, and people with respiratory disease, such as asthma, should avoid all outdoor exertion; everyone else, especially children, should limit outdoor exertion.

82 Tratados InternacionalesQue estamos haciendo? 1987 Protocolo de Montreal. Reducción del 50 % 1990 Protocolo de Londres. Reducción de 100%. 2000 1992 Protocolo de Copenhagen. Reducción del 100% Reemplazo de CFC HFCs (Hidro fluoro carbonos) CH2FCF3 Refrigeración. No posee átomos de Cl. HCFCs (Hidro chloro fluoro carbons) CF2HCl. Menos estables. El radical OH radical reacciona en la troposfera con átomos de H.

83 Web Sites Satellite data Environmental effects Environmental effects

84

85 Bromine release mechanism by Vogt et al., 1996En el mar también se forman compuestos que destruyen la capa de ozono.. Bromine release mechanism by Vogt et al., 1996

86 El panorama completo…