domingo, 17 de marzo de 2013

Radiaciones, procesos fotoquímicos y ciclos biogeoquímicos


Radiaciones

La fuente más importante en la Tierra es el Sol, aunque también existen otras provenientes del universo (rayos cósmicos).

El 99 % de la energía de la radiación solar pertenece al intervalo de longitud de onda  comprendido enre 100 y 4.00 nm, que incluye las regiones ultravioletas entre 100 y 400 nm.

El flujo solar incidente sobre la atmósfera es función de la luminosidad solar y de la distancia de la Tierra al Sol. Su valor, denominado constante solar, se estima en unos 1.360 W•m2 para una superficie expuesta perpendicularmente a los rayos del Sol.

Los gases presentes en la atmósfera, y en mucha menor medida las nubes y las partículas son responsables, de la absorción de aproximadamente un 20 % del total de la radiación solar. Las especies presentes son también responsables de fenómenos de dispersión y reflexión de la radiación solar.

La radiación absorbida por la superficie terrestre es a su vez remitida hacia la atmósfera como radiación calorífica de longitud de onda larga durante las horas nocturnas. También hay remisión de energía no radiativa por la superficie mediante procesos de evaporación, en forma de calor latente, y convección. Todos estos fenómenos provocan el calentamiento de la troposfera.


Procesos fotoquímicos

La vida en la Tierra transcurre en la troposfera, sin embargo muchos de los procesos que se dan en las capas altas de la atmósfera son fundamentales para el mantenimiento de las condiciones de la vida en la biosfera. Estas zonas altas, a pesar de la pequeña masa de aire que contienen, forman una barrera contra las radiaciones y partículas de alta energía que bombardean el planeta (capa de ozono estratosférico).

Los tres tipos de especies, reactivas e inestables, involucradas en estos procesos químicos atmosféricos son:

1) Moléculas excitadas electrónicamente: se producen por absorción de radiación ultravioleta o visible, lo que origina estados excitados. Tienen una vida media generalmente muy corta.

2) Radicales libres: se forman por la acción de la radiación solar. Son especies involucradas en muchos fenómenos químicos atmosféricos. Aunque su tiempo de permanencia es muy corto, juegan un papel importante dada su alta reactividad.

3) Iones: a altitudes superiores a 50 km, los iones son tan prevalentes que la zona se halla ionosfera. La luz ultravioleta es la primera productora de iones.


Ciclos biogeoquímicos


Ciclo del carbono

El ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico de gran importancia para la regulación del clima de la Tierra, viéndose implicado en el mismo el sostenimiento de la vida.

El carbono es un componente esencial para los vegetales y animales. Forma parte esencial de los compuestos bioquímicos importantes para la realización de procesos vitales como la respiración y la fotosíntesis bajo la forma de CO2 atmosférico. El elemento principal de cambio son las moléculas de CO2, que se hallan en la atmósfera y la hidrosfera. Este gas se encuentra en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2 se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el dióxido de carbono se renueva en la atmósfera cada 20 años.

La vuelta del CO2 a la atmósfera se realiza cuando en la respiración, los seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como pudiera parecer, los animales.

Los productos finales de la combustión son CO2 y vapor de agua. El equilibrio en la producción y consumo de cada uno de ellos por medio de la fotosíntesis hace posible la vida.

Los vegetales verdes que contienen clorofila toman el CO2 del aire y durante la fotosíntesis liberan oxígeno, además producen el material nutritivo indispensable para los seres vivos. Todas las plantas verdes de la tierra ejecutan ese mismo proceso diariamente. En la medida de que el CO2 es consumido por las plantas, también es remplazado por medio de la respiración de los seres vivos, por la descomposición de la materia orgánica y como producto final de combustión del petróleo, hulla, gasolina, etc.

En el ciclo del carbono participan los seres vivos y muchos fenómenos naturales como los incendios. Por otra parte, los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la que tiene en el aire.


Ciclo del carbono


Ciclo del nitrógeno

La mayor parte del nitrógeno se encuentra como gas nitrógeno elemental, N2, en la atmósfera. Es una forma muy estable y por esta misma razón y hacia esta forma estable es a la que siempre tiende a volver el nitrógeno de los diversos compuestos.

Las bacterias del suelo son las responsables de la mayoría de las transformaciones del nitrógeno en el suelo al igual que la captación por las plantas; de esta manera, la actividad microbiana y el crecimiento de las plantas son responsables de las velocidades a las que se producen las transformaciones de este elemento, las cuales a su vez, vienen determinadas por un número de variables ambientales. Entre estas variables se hallan el contenido de humedad del suelo, la temperatura y las concentraciones de oxígeno, dependiendo todas ellas del tiempo atmosférico.

El primer paso en el ciclo es la fijación (reducción) del nitrógeno atmosférico (N2) a distintas formas distintas de incorporarse a la composición del suelo o de los seres vivos, como el ion amonio (NH4+) o los iones nitrito (NO2–) o nitrato (NO3–). También se da la conversión a sustancias atmosféricas químicamente activas, como el dióxido de nitrógeno (NO2), que reaccionan fácilmente para originar alguna de las anteriores. Es la fijación del nitrógeno, que puede ser por vía abiótica o biológica.

La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno que en la materia viva aparece principalmente como grupos amino (-NH2) o imino (-NH-). Los animales, que no oxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de distintos compuestos. Los acuáticos producen directamente amoníaco (NH3), que en disolución se convierte en ion amonio. Los terrestres producen urea, (NH2)2CO, que es muy soluble y se concentra fácilmente en la orina; o compuestos nitrogenados insolubles como la guanina y el ácido úrico, que son purinas, y ésta es la forma común en aves o en insectos y, en general, en animales que no disponen de un suministro garantizado de agua.

La nitrificación es la oxidación biológica del amonio al nitrato por microorganismos aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como receptor de electrones, es decir, como oxidante. A estos organismos el proceso les sirve para obtener energía, al modo en que los heterótrofos la consiguen oxidando alimentos orgánicos a través de la respiración celular.

La combinación de amonificación y nitrificación devuelve a una forma asimilable por las plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación por la cadena trófica.

La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3–), presente en el suelo o el agua, a nitrógeno molecular o diatómico (N2) la sustancia más abundante en la composición del aire. Por su lugar en el ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la fijación del nitrógeno. Lo realizan ciertas bacterias heterótrofas. Es fundamental para que el nitrógeno vuelva a la atmósfera y es la única manera de que no termine disuelto íntegramente en los mares, dejando sin nutrientes a la vida continental.

La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada de aguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y éste es cancerígeno.

Por último, la reducción desasimilatoria es la respiración anaerobia del nitrato y nitrito a la forma gaseosa N2O y a la forma ion amonio. Se produce en estercoleros y turberas donde residen bacterias del género Citrobacter sp. Este género es típico de las coliformes enterofecales,



Ciclo del nitrógeno


Ciclo del azufre

Es un ciclo fundamentalmente de tipo sedimentario, ya que los mayores depósitos de azufre se encuentran en el agua y en el suelo, aunque en el ciclo intervienen diversas especies gaseosas.

En la atmósfera, los gases que contienen azufre más abundantes son el sulfuro de hidrógeno (H2S) y el dióxido de azufre (SO2) a partir del cual se producen los aerosoles de sulfato (SO4-2). Son especies de concentración baja y tiempos de residencia cortos.

El origen natural de los mismos es la descomposición anaerobia de la materia orgánica (H2S), erupciones volcánicas (H2S y SO2) y aerosoles marinos (SO4-2).

El cierre del ciclo se produce por la transformación del sulfuro de hidrógeno, por acción de los microorganismos, en especies minerales (S y SO4-2) por absorción de las plantas del SO2  atmosférico y por deposición seca y húmeda de los aerosoles de sulfato.

La influencia antropogénica más importante se debe a los procesos de combustión de de carburantes fósiles azufrados.


Ciclo del oxígeno

En el caso del oxígeno diatómico, el ciclo es esencialmente inverso al del dióxido de carbono. La principal fuente es la fotosíntesis y se elimina por procesos de respiración, combustión y descomposición aerobia. También interviene como agente oxidante.

Para el ozono, las intervenciones antropogénicas aumentan su concentración en la troposfera y destruyen la capa de ozono en la estratosfera por ciertos contaminantes.

domingo, 3 de marzo de 2013

Estructura y composición de la atmósfera

Comparada con el radio terrestre, la atmósfera es muy delgada, ya que constituye aproximadamente el 1,5 % del mismo, dividiéndose en cuatro zonas:

1) Troposfera: desde la superficie hasta unos 10 km.

2) Estratosfera: desde la troposfera hasta unos 50 km.

3) Mesosfera: desde la estratosfera hasta unos 90 km.

4) Termosfera: desde la mesosfera hasta varios miles de km.

La parte en la que se dan los fenómenos meteorológicos corresponde a los primeros 30 km, que contienen el 99 % de la masa atmosférica, equivaliendo al 0,5 % del radio terrestre. Esta parte es tan delgada que las corrientes de aire son principalmente horizontales, lo que no significa que no existan las corrientes verticales, si bien estas son minoritarias.

La contaminación atmosférica puede actuar en distintas capas y con distintos efectos. Así, la destrucción de la capa de ozono se produce en la estratosfera, la lluvia ácida en la troposfera y el smog fotoquímico en la parte atmosférica en contacto con la superficie, denominada capa de mezcla.

Los primeros estudios sobre su composición fueron realizados en el siglo XVIII por Joseph Priestley, Antoine-Laurent Lavousier y Henry Cavendish.

En la actualidad sus componentes son bien conocidos. El aire, que forma la parte baja de la atmósfera terrestre, se puede considerar como un gas ideal, con los siguientes componentes:

- Nitrógeno: 78,09 % en volumen.

- Oxígeno: 20,94 % en volumen.

- Argón: 0,93 % en volumen.

- Dióxido de carbono: 0,033 % en volumen.

- Neón: 0,0018 % en volumen.

- Otros gases (como helio, radón e hidrógeno): 0,0052 % en volumen.

- Agua: 0,0 – 4,0 % en volumen.



Capas de la atmósfera


Se cree que el origen de la atmósfera actual se debe a gases expulsados en erupciones volcánicas posteriores al enfriamiento de la superficie terrestre. La composición de la atmósfera no siempre ha sido la misma. El elevado nivel de oxigeno actual, desconocido en otros planetas, se produjo aproximadamente hace 400 millones de años y se ha mantenido por el balance entre la producción fotosintética del oxígeno y su consumo por respiración, procesos de combustión y descomposición aerobia de la materia orgánica.  La troposfera es la capa de la atmósfera que afecta a la meteorología y al clima y donde se dispersan y emiten la mayoría de los contaminantes. Pero no sólo esta capa ha cambiado por la acción humana. A mediados de 1970, se descubrió que algunos contaminantes antropogénicos llegaban a la estratosfera alterando su composición al destruir el ozono. Así también la acumulación de los “gases de efecto invernadero” ha modificado el equilibrio radiativo de la atmósfera, es decir, el equilibrio entre la radiación solar recibida y la radiación infrarroja emitida por la tierra, provocando el calentamiento del planeta. En la actualidad, la concentración de dióxido de carbono es un 30% mayor a la existente hace 150 años. La acumulación histórica de gases en la atmósfera y la respuesta retardada a estos cambios de los sistemas climáticos y oceánicos están teniendo importantes consecuencias a nivel local, regional y global.


2. LA ATMÓSFERA. DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES

Estructura y composición de la atmósferaRadiaciones, procesos fotoquímicos y ciclos biogeoquímicosInfluencia del viento en la dispersión de los contaminantesGradiente vertical de temperaturas. Factores topográficosModelos de contaminación atmosférica. Modelos de difusión. Modelo gaussiano. Coeficientes de dispersión y altura efectiva de chimeneas.

Cuestiones y problemas sobre la atmosféra y la dispersión de contaminantes


Contaminación atmosférica

miércoles, 27 de febrero de 2013

Naturaleza y contenido de la Ingeniería del Medio Ambiente

La Ingeniería del Medio Ambiente es la parte de la Ingeniería Química que estudia el control de los procesos contaminantes.

El mundo de la Ingeniería del Medio Ambiente es complejo, ya que se ha de comprender la importancia de los fenómenos de contaminación ambiental en los interrelacionados procesos hidrológicos, atmosféricos y edafológicos, así como establecer las bases para su control, desarrollando conocimientos básicos y aplicación de tecnologías de tratamiento de efluentes líquidos, de la contaminación atmosférica y de residuos sólidos en el marco de un Desarrollo Sostenible, como actividad humana que tendente al progreso de la sociedad hace compatible el desarrollo económico y la protección del medio ambiente.

Entre los campos de estudio y aplicación de la Ingeniería del Medio Ambiente se podrían citar:

- Interrelación de los procesos contaminantes siguiendo las leyes físicas, químicas, biológicas y geológicas y establecimiento de procesos de control aplicando los conocimientos en ingeniería.

- Características principales del medio atmosférico, así como sus principales contaminantes, su evolución en la atmósfera, así como su adecuado control y reducción.

- Modelos matemáticos de simulación de procesos de contaminación, diseño de dispositivos de control y estimación, cálculo y medición de la misma.

- Propiedades del medio hídrico, así como sus procesos contaminantes.

- Sistema de tratamiento, depuración y gestión de aguas residuales.

- Gestión y tratamiento de residuos agrícolas, industriales y urbanos.

- Gestión y tratamiento de residuos que requieran un tratamiento especial, como son los nucleares y los biológicos.

- Gestión y tratamiento del ruido.

- Propiedades del medio edáfico, así como sus procesos contaminantes y su tratamiento correspondiente.

- Evaluación ambiental de las actividades contaminantes.

Entre los retos, oportunidades y campos de futuro desarrollo, se pueden citar, entre otros:

- Desarrollo de técnicas analíticas para la monitorización y control de la contaminación ambiental.

- Desarrollo de la Biotecnología como técnica descontaminante en aguas residuales, vertidos, tratamiento de suelos y del aire

- Reciclaje de todo tipo de residuos

- Gestión de residuos peligrosos, incluyendo los radiactivos

- Desarrollo de ciencias transversales, como la Biogoeoquímica, que estudia la interacción entre la Tierra (tanto a nivel físico como geológico), los elementos químicos y los seres vivos.

- La prevención de la contaminación ambiental

El desarrollo científico y tecnológico en los países desarrollados ha logrado en las sociedades de estos países un bienestar impensable en épocas pasadas. Sin embargo, el deterioro del medio ambiente ha hecho que estas mismas sociedades hayan tomado conciencia de la importancia de su conservación, Esta es la razón de la importancia creciente de la ingeniería ambiental. Estas mismas sociedades, no están dispuestas a renunciar al desarrollo científico y tecnológico, pero tampoco a consentir el deterioro del medio ambiente, contemplado éste como patrimonio público y asociado con una calidad de vida. Las empresas y la Administración Pública se están concienciando de estas demandas sociales, por lo que es previsible una demanda creciente de titulados técnicos con conocimientos de Ingeniería del Medio Ambiente.

Por otra parte, no debemos olvidar la importancia del Derecho en  toda sociedad humana. El Derecho es el ordenamiento jurídico de una sociedad. El hecho de vivir en sociedad hace nacer una estructura, organización, principios, etc. Allí donde hay sociedad hay también Derecho, incluso una organización de bandidos necesita sus normas de Derecho; en cambio, el caso contrario es Robinsón Crusoe (el naufrago de la novela de Daniel Defoe que vive en una isla desierta), no necesita el Derecho porque no vive en sociedad. Esta misma sociedad, actualmente, es la que hace surgir el Derecho Medioambiental, concepto jurídico hoy día inmaduro, pero que se indudablemente se consolidará a medida que pase el tiempo. El ingeniero ambiental deberá conocer la legislación que afecta a su campo, legislación, por otra parte, cada vez más técnica.

Hoy día existen tres hecho objetivos en torno a la protección del medio ambiente:

1.- La tendencia al aumento de la legislación ambiental en todos los países desarrollados, incluyendo la legislación a nivel supranacional (Unión Europea, Convenios internacionales, etc.). Ésta legislación se endurece e incorpora avances tecnológicos a medida que pasa el tiempo.

2.- Creciente conciencia social por la Conservación del Medio Ambiente, identificado éste como signo de calidad de vida.

3.- La investigación y desarrollo de tecnologías correctoras de los desequilibrios ambientales y ahorro de recursos, nuevas energías, reciclaje, etc.

Por otro lado, hay dos circunstancias en los países desarrollados que condicionan su modo de vida:

1.- El desarrollo científico y tecnológico ha logrado, a lo largo de la historia, una mejora de las condiciones de vida de la sociedad y con ello un desarrollo social y cultural sin precedentes en la historia de estos países.

2.- El precio a pagar por ello ha sido el deterioro medioambiental y el agotamiento de los recursos, hechos de los que se ha concienciado la sociedad de estos países, que exige soluciones a estos problemas.

Está claro, pues, que la sociedad no está dispuesta a renunciar a los avances científicos y tecnológicos, pero tampoco está dispuesta a progresar a costa del deterioro del medio ambiente. Por esta razón, la Administración Pública y las empresas tendrán que adaptarse a estas demandas sociales.

martes, 26 de febrero de 2013

Ingeniería del Medio Ambiente

El conocimiento de los procesos que ocurren a nuestro alrededor es la Ciencia o ciencia básica. La aplicación práctica de esos conocimientos científicos para mejorar la vida es la Técnica o Tecnología.

La ciencia intenta explicar los fenómenos recientes y sin explicación, creando modelos matemáticos que correspondan con los resultados experimentales. Tecnología e ingeniería constituyen la aplicación del conocimiento obtenido a través de la ciencia, produciendo resultados prácticos. Los científicos trabajan con la ciencia y los ingenieros con la tecnología. Sin embargo, existen puntos de contacto entre la ciencia y la ingeniería. No es raro que los científicos se vean implicados en las aplicaciones prácticas de sus descubrimientos, y de modo análogo, durante el proceso de desarrollo de la tecnología, los ingenieros se encuentran a veces descubriendo y explorando nuevos fenómenos.

La ingeniería es el compendio de conocimientos y técnicas científicas aplicadas a la invención, perfeccionamiento y utilización de técnicas para la resolución de problemas que afectan directamente a la sociedad en su actividad cotidiana. En ella, el conocimiento, manejo y dominio de las matemáticas, la física y otras ciencias, obtenido mediante estudio, experiencia y práctica, se aplica con juicio para desarrollar formas eficientes de utilizar los materiales y las fuerzas de la naturaleza para beneficio de la humanidad y del ambiente.

Pese a que la ingeniería como tal (transformación de la idea en realidad) está intrínsecamente ligada al ser humano, su nacimiento como campo de conocimiento específico está unido al comienzo de la revolución industrial, constituyendo uno de los actuales pilares en el desarrollo de las sociedades modernas.

La Ingeniería Química es la aplicación de la ciencia química, física, biología y matemática, al proceso de convertir materias primas o productos químicos en productos más útiles, aprovechables o de mayor valor. Se dedica al estudio, síntesis, desarrollo, diseño, operación y optimización de todos aquellos procesos industriales que producen cambios físicos, químicos y/o bioquímicos en los materiales.

Según el Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE), la Ingeniería Química es la profesión en la cual el conocimiento de la matemática, química y otras ciencias básicas, ganados por el estudio, la experiencia y la práctica, es aplicado con juicio para desarrollar maneras económicas de usar materiales y energía para el beneficio de la humanidad.

La Ingeniería del Medio Ambiente o Ingeniería Ambiental es la parte de la Ingeniería Química que estudia el control de los procesos contaminantes.

Un rasgo específico de la Ingeniería del Medio Ambiente es su ámbito de estudios multidisciplinar, que abarca el conocimiento de diversas disciplinas, teniendo en cuenta sus dimensiones ecológicas, sociales, económicas y tecnológicas, con el objetivo de promover un desarrollo sostenible.

La Ingeniería del Medio Ambiente, también llamada Ingeniería Ambiental, contribuye a mantener la capacidad de sostenimiento del planeta y a garantizar, mediante la conservación y preservación de los recursos naturales, una mejor calidad de vida para la generación actual y para las generaciones futuras. Esta disciplina, en pleno desarrollo, se ha venido consolidando como una necesidad, ya que a las exigencias sociales medioambientales, se ha ido sumando una legislación cada vez más rigurosa. Por esto, es considerada por muchas personas como una profesión de gran futuro.

El ingeniero ambiental debe saber reconocer, interpretar y diagnosticar impactos negativos y positivos ambientales, y en el caso de un impacto negativo, evaluar el nivel del daño ocasionado en el ambiente, proponiendo soluciones integradas de acuerdo a las leyes medioambientales vigentes.

La salud y el bienestar de una población están estrechamente relacionados con la calidad de su medio ambiente, por lo que  las personas han aplicado ciertos principios para intentar mejorar esta última. Los romanos construyeron acueductos para prevenir sequías y proveer a la ciudad de Roma de una fuente de agua limpia y saludable y en el siglo XV, Baviera creó leyes para restringir el desarrollo y la degradación de zonas alpinas críticas para el abastecimiento de agua de la región.

La ingeniería ambiental moderna tuvo sus comienzos en Londres a mediados del siglo XIX, cuando se estableció, tras el informe de la “Comisión de los pobres” en el parlamento británico, que una red de alcantarillado adecuada podría reducir la incidencia de enfermedades transmitidas por el agua como el cólera. La paulatina introducción desde entonces de la purificación de agua y del tratamiento de aguas residuales ha transformado a las enfermedades transmitidas por el agua de principales causas de muerte a algo extraño en los países industrializados.

Conforme las sociedades fueron creciendo y desarrollándose, en muchos casos algunas acciones tomadas por ellas para lograr beneficios para toda la sociedad tuvieron un impacto negativo a largo plazo sobre otros aspectos de la calidad de su medio ambiente. Un ejemplo de esto es la aplicación generalizada del DDT para controlar plagas en los años que siguieron a la Segunda Guerra Mundial. Mientras que los beneficios agrícolas y sanitarios del insecticida químico resultaron ser excepcionales, ya que las cosechas crecieron enormemente, reduciendo así sustancialmente la incidencia del hambre en el mundo, y la malaria fue controlada más efectivamente que nunca, pero numerosas especies fueron empujadas al borde de la extinción debido al impacto del DDT sobre sus ciclos reproductivos.