En ingeniería ambiental, se denomina aerosol a un coloide de partículas sólidas o líquidas suspendidas en un gas. El término aerosol se refiere tanto a las partículas como al gas en el que las partículas están suspendidas. El tamaño de las partículas puede ser desde 0,002 µm a más de 100 µm, esto es, desde unas pocas moléculas hasta el tamaño en el que dichas partículas no pueden permanecer suspendidas en el gas al menos durante unas horas.
Dentro de los procesos que ocurren a nivel troposférico en contacto directo con la vida del planeta, se incluye la emisión de material particulado. La notación PM10 se refiere a las partículas que pasan a través de un cabezal de tamaño selectivo para un diámetro aerodinámico de 10 μm con una eficiencia de corte del 50 %, mientras para que PM2,5 representa partículas de menos de 2,5 µm de diámetro aerodinámico. De forma análoga pueden utilizarse otros valores numéricos.
La generación de aerosoles puede ser de origen natural o debida a la actividad humana. Algunas partículas se dan de manera natural, las cenizas volcánicas, las tormentas de polvo, la erosión del suelo, los incendios forestales y de pastizales, y la pulverización de agua marina. Las actividades humanas, como la quema de combustibles y la alteración de la superficie terrestre también generan aerosoles. En términos globales, los aerosoles artificiales generados por las actividades humanas, representan aproximadamente el 10 %[cita requerida] del total de aerosoles en nuestra atmósfera.
Los aerosoles atmosféricos pueden ser originados de forma natural o antropogénica. Algunas de estas partículas son emitidas directamente a la atmósfera (emisiones primarias) y otras son emitidas como gases que por reacciones químicas de coagulación o condensación entre moléculas reactivas forman partículas en la atmósfera (emisiones secundarias). La composición de las partículas de un aerosol depende de la fuente donde son generadas.
Las mayores fuentes naturales son la actividad volcánica, suelos erosionados, plantas, flores, microorganismos, la superficie de mares y océanos, las tormentas de polvo y los incendios forestales y de pastizales. La pulverización de agua marina también es una gran fuente de aerosoles aunque la mayoría de estos caen al mar cerca de donde fueron emitidos.
La mayor fuente de aerosoles debida a la actividad humana es la quema de combustibles en motores térmicos para el transporte y en centrales termoeléctricas para la generación de energía eléctrica, la fundición de metales como cobre o zinc, la producción de cemento, cerámica y ladrillos, además del polvo generado en las obras de construcción y otras zonas de tierra donde el agua o la vegetación ha sido removida. Algunos de los principales componentes que desprenden son sulfatos, nitratos y aerosoles orgánicos.
La composición química de los aerosoles afecta directamente a la forma en que interactúa la atmósfera con la radiación solar y el contenido de agua líquida. Los componentes químicos de los aerosoles alteran el índice de refracción global de la atmósfera. El índice de refracción determina la cantidad de luz que es dispersada y la que es absorbida.
La pulverización del agua marina es considerada como la segunda fuente más importante de aerosoles a nivel global. Las partículas procedentes de la pulverización del agua marina tienen la misma composición que el agua del mar: agua y sustancias como cloruro sódico, sales de magnesio, calcio, potasio y sulfatos. Además los aerosoles de origen marino pueden contener compuestos orgánicos. Estos aerosoles no absorben la luz solar.
Los polvos minerales son aerosoles atmosféricos originados por la erosión de la corteza terrestre y su posterior dispersión en el aire. Están constituidos principalmente de óxidos (SiO 2, Al2O3, FeO, Fe2O3, CaO, y otros) y carbonatos (CaCO3, MgCO3) que constituyen la corteza terrestre. Estos aerosoles absorben la luz solar.
Las emisiones de polvos minerales a nivel mundial se estiman en 1000-5000 millones de toneladas por año, de las cuales la mayor parte se atribuye a los desiertos. El desierto del Sáhara es la principal fuente de polvo mineral, que es dispersado en el mar Mediterráneo y el Caribe hacia el norte de América del Sur, América Central, América del Norte y Europa. El desierto de Gobi es otra gran fuente de polvo mineral, que afecta a Asia oriental y al oeste de América del Norte.
Aunque este tipo de aerosoles generalmente se considera de origen natural, se estima que alrededor del 30 % de la carga de polvos minerales en la atmósfera podría atribuirse a las actividades humanas a través de la desertificación y la utilización indebida de tierras.
La generación de la materia a partir de la cual se originan los aerosoles secundarios, puede ser de origen antropogénico (a partir de la combustión de combustibles fósiles) o de origen biogénico natural. Las partículas secundarias se derivan de la reacción de los gases primarios.
El dióxido de azufre, alrededor de la mitad que llega a la atmósfera vuelve a depositarse en la superficie y el resto se convierte en iones sulfato; otro aerosol secundario se forma cuando el dióxido de azufre reacciona con el oxígeno en la atmósfera formando trióxido de azufre, que luego reacciona con el agua formando ácido sulfúrico. Ambos contaminantes secundarios contribuyen a la formación de la lluvia ácida. Son producidos principalmente por combustión de carbón, petróleo, la metalurgia y las actividad volcánica.
Tienen como aerosoles primarios a la denominación NOx (conjunto del óxido nítrico y el dióxido de nitrógeno) que se oxidan rápidamente en la atmósfera, dando lugar a nitrato o ácido nítrico, son importantes en la formación de smog fotoquímico e influye en reacciones de formación y destrucción de ozono troposférico y estratosférico. son procedentes de las combustiones a altas temperaturas. El óxido nitroso en la troposfera es inerte, desaparece de la estratosfera en reacciones fotoquímicas y también tiene un efecto invernadero, su origen son fuentes naturales como procesos microbiológicos en suelo y océanos.
Los aerosoles de sulfatos y nitratos son fuertes dispersores de la luz.
Merece especial atención el N2O, que transmite la radiación de alta frecuencia pero refleja la radiación de baja frecuencia.
Los aerosoles de materia orgánica pueden ser primarios o secundarios. Los secundarios se derivan de la oxidación de compuestos orgánicos volátiles (COV). El material orgánico en la atmósfera puede ser de origen biogénico o antropogénico. Los aerosoles de materia orgánica influyen en el comportamiento de la atmósfera ante la radiación, algunos dispersándola y otros absorbiéndola.
Otro tipo importante de aerosol lo constituye el carbono elemental (también conocido como negro de carbono). Este tipo de aerosoles tienen una alta absorbancia de la luz y se cree que favorecen el efecto invernadero.
El metano (CH4) es el más abundante e importante de los hidrocarburos atmosféricos, es un contaminante primario formado de manera natural por reacciones anaeróbicas del metabolismo, desaparece de la atmósfera al reaccionar con radicales OH, formando principalmente ozono, es uno de los gases de efecto invernadero considerados en el protocolo de Kioto. En algunas estadísticas se distinguen las emisiones de compuestos orgánicos volátiles excluyendo el metano como NMVOC (del inglés Non-Methane Volatile Organic Compounds).
El tamaño es un parámetro importante para el comportamiento de las partículas, por los que las más pequeñas (de menos de 2,5 μm de diámetro) tienen periodos de vida media en la atmósfera de días a semanas, viajan distancias de 100 kilómetros o más y tienden a ser homogéneas en áreas urbanas, por lo que sufren transformaciones. En cambio, las partículas gruesas (de alrededor de 10 μm de diámetro)generalmente se depositan más rápido, con una vida media en la atmósfera de solo minutos u horas, por lo que presentan mayor variabilidad espacial.
Los aerosoles, naturales y antropogénicos, pueden afectar al clima cambiando el modo en el que la radiación electromagnética se transmite a la atmósfera. Las observaciones directas de los efectos de los aerosoles son bastante limitadas, por lo que cualquier intento por estimar su efecto global implica necesariamente el uso de modelos computarizados. El Panel Intergubernamental del Cambio Climático, IPCC (por sus siglas en inglés), dice: Mientras que los cambios radiativos debidos a los gases de efecto invernadero se pueden determinar con un alto grado de precisión [...] las incertidumbres relacionadas con los cambios radiativos debidos a los aerosoles siguen siendo grandes, y dependen en gran medida de las estimaciones de los estudios de modelos mundiales, que son difíciles de verificar en la actualidad.
Aquí hay disponible un gráfico que muestra las contribuciones (para 2000, comparado con 1750) y las incertidumbres de varios cambios.
Actualmente la red MPLNET, gestionada por la NASA, es capaz de medir continuamente determinando la distribución de aerosoles y nubes en la atmósfera en diferentes localizaciones. El objetivo perseguido es caracterizar la evolución a largo plazo de los aerosoles y refinar así los modelos de evolución del clima terrestre.
Un aerosol de sulfato tiene dos efectos principales, uno directo y otro indirecto. El efecto directo, a través del albedo, tiende a enfriar del planeta: el valor más esperado del forzamiento radiativo según el IPCC es de -0.4 W/m², con un intervalo de confianza de -0.2 a -0.8 W/m². Sin embargo, existen incertidumbres importantes.
El efecto varía significativamente con la localización geográfica, con la mayoría del efecto de refrigeración posiblemente situado a sotavento de los principales centros industriales. Los modelos climáticos modernos que tratan de calcular la atribución de los cambios climáticos recientes deben incluir efectos de los sulfatos, que parecen contribuir, al menos en parte, al ligero descenso de la temperatura mundial en la mitad del siglo XX. El efecto indirecto (por la acción de los aerosoles como núcleos de condensación de nubes, modificando por lo tanto las propiedades de las nubes) es más incierto, pero se cree que es un efecto de enfriamiento.
El carbono negro está compuesto de agrupaciones de carbón que forman pequeñas esferas y es uno de los tipos más importantes de aerosoles de absorción en la atmósfera. Debe distinguirse del carbono orgánico que forma parte de las moléculas orgánicas. La contribución del carbono negro procedente de combustibles fósiles ha sido estimada por el IPCC en el Cuarto Informe de Evaluación del IPCC con un forzamiento radiativo global esperado de +0,2 W/m² (fue +0,1 W/m² en el segundo informe de evaluación El IPCC), con un intervalo de confianza de +0,1 a +0,4 W/m².
Los efectos sobre la salud de la inhalación de partículas en suspensión han sido ampliamente estudiados en animales y en el ser humano. Los que se manifiestan primero son dolores pulmonares, de cabeza, malestares en garganta, irritación y lagrimeo de los ojos, mientras que para exposiciones crónicas algunos son asma, cáncer de pulmón, problemas cardiovasculares, y muerte prematura. Los efectos también están relacionados con trastornos de salud como el incremento de la frecuencia de enfermedades respiratorias crónicas, disminución de la capacidad respiratoria y el incremento de enfermedades cardiacas. El tamaño de las partículas es uno de los principales determinantes de que estas entren en las vías respiratorias por inhalación. Las partículas más grandes generalmente se filtran en la nariz y en la garganta y no causan problemas, pero las partículas de menos de unos 10 micrómetros (PM10) pueden instalarse en los bronquios y en los pulmones y causar problemas de salud. Del mismo modo, las partículas de menos de 2.5 micrómetros (PM2,5) tienden a penetrar en el de intercambio de gases de las regiones del pulmón, y las partículas muy pequeñas (<100 nanómetros) pueden pasar a través de los pulmones y afectar a otros órganos. En particular, un estudio publicado en el Journal of the American Medical Association (Diario de la Asociación Médica Estadunidense) indica que las PM2,5 tienden a formar depósitos en las arterias, causando inflamaciones vasculares y la arteriosclerosis, un endurecimiento de las arterias que reduce su elasticidad, lo cual puede conducir a ataques cardíacos y otros problemas cardiovasculares Los investigadores sugieren que la exposición a altas concentraciones incluso a corto plazo puede contribuir considerablemente al desarrollo de enfermedades de corazón.
También hay pruebas de que las partículas de tamaño inferior a 100 nanómetros pueden atravesar las membranas celulares. Por ejemplo, las partículas pueden migrar en el cerebro. Se ha sugerido que las partículas pueden causar daños en el cerebro similares a los encontrados en pacientes con Alzheimer. Las partículas emitidas por los motores modernos de gasóleo (comúnmente conocida como humo diésel tienen comúnmente tamaños en torno a los 100 nanómetros (0,1 micrómetros). Además, estas partículas de hollín pueden transportar componentes potencialmente carcinógenos, como los benzopirenos, adsorbidos en su superficie. Cada vez es más evidente que aquellos límites legislativos para los motores que se establecen en términos de masa de emisiones no constituyen una medida adecuada de los peligros para la salud. Una partícula de 10 µm de diámetro tiene aproximadamente la misma masa que 1 millón de partículas de 100 nm de diámetro, pero es evidente que es mucho menos peligrosa, ya que es poco probable que entre en las vías respiratorias de un cuerpo humano y si lo hiciera sería eliminada rápidamente. Existen propuestas de nuevos reglamentos en algunos países, con propuestas para limitar el área superficial de las partículas o el número de partículas.
La relación entre un mayor número de muertes y de enfermedades con la polución por partículas fue demostrada por primera vez a principios de los años 1970 y se ha demostrado varias veces desde entonces. Se estima que la polución por partículas causa entre 22.000 y 52.000 muertes al año en Estados Unidos (desde 2000).
Para conocer la relación entre la exposición o condición y el efecto en el organismo existen diversos tipos de estudios, entre ellos los estudios toxicológicos y los estudios epidemiológicos.
Involucran la evaluación de la relación dosis-respuesta de un organismo determinado en condiciones controladas, exponiendolo a diferentes dosis. Tienen mayor utilidad para determinar efectos a exposiciones agudas o efectos causados por exposiciones crónicas, generalmente se realizan en laboratorios. Ha encontrado datos significativos entre la asociación de la exposición a partículas indicadoras de efectos nocivos, aportando información a la mortalidad y morbilidad, sin embargo, no ha dado las propiedades específicas responsables de su toxicidad, como tamaño, número, forma, composición o reactividad. Uno de sus principales problemas es que al llevarse a cabo en laboratorios, se conocen las propiedades de las partículas, pero no son representativas de la mezcla real a la que se expone la población.
Se enfocan a los padecimientos, causas de muerte, se evalúan relaciones entre estos eventos o lo que pudo despachar en un grupo de personas , por lo que enfocada a los estudios ambientales evalúa la exposición a algún agente (contaminación atmosférica) y si este se asocia con padecimientos o muertes prematuras. Los efectos se han documentado durante más de 70 años, donde, a partir de las primeras evidencias (valle del Osa, Bélgica en 1931, Sonora, Pensilvano, mexicano. en 1948 y Atolondres, Inglaterra en 1952) resultó la asociación entre exposiciones a partículas y la mortalidad y morbilidad gastrovascular, que desencadenó la creación y aplicación de medidas y programas de control y prevención de la contaminación.
A nivel mundial se han hecho estos estudios en dos tipos para evaluar la asociación entre indicadores de morbilidad y mortalidad prematura con la contaminación atmosférica, siendo el primero los estudios de series de tiempo, que se utilizan para evaluar la exposición aguda de las partículas debido a la relación entre cambios en niveles de contaminación y fluctuaciones diarias en el número de incidencia de padecimientos, admisiones hospitalarias o defunciones. Mientras que el segundo tipo son los estudios longitudinales que dan seguimiento a un grupo de personas previamente seleccionadas a través de muchos años para evaluar la relación entre la exposición crónica de partículas y la incidencia de indicadores de morbilidad o la tasa de mortalidad.
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