UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA BIOLOGIA GENERAL LA LLUVIA ACIDA”
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Septiembre de 2010
1. Introducción Uno de los problemas asociado a la contaminación atmosférica es la lluvia ácida, las primeras apariciones de este fenómeno se observaron en Suecia (1848), Inglaterra (1877) y en Alemania (1867), donde se publico que por alguna razón las lluvias eran más ácidas de lo normal, fue en ese sentido que Lee M. & Thomas (1986) señalaron que el agua de lluvia naturalmente es considerar ácida, dado que su pH suele ser de 5.6 estos debido a que el agua es un excelente solvente, y cuando esta cae disuelve algo del dióxido de carbono (CO2) presente en la atmósfera y retorna a la superficie en forma "ácido carbónico", por esta razón estos autor reportaron que ese daño ambiental no empeoraría materialmente si las emisiones ácidas no extenderían el nivel actual reportado en ese año. A fines de la década de los 80 y principio de los 90 los países industrializados comenzaron a desarrollar estrategias y políticas medioambientales para el control de la emisión de gases de efecto invernadero, y como medida precautelaría se fueron emitiendo impuestos a todas las industrias que emitían SO2, de NOx u otro tipo de contaminante atmosférico. Lamentablemente este organismo regulador adoptado no fue efectivo pues durante más de una década la emisión de gases de efecto invernadero avanza a pasos agigantados y pese a todas las medidas de control y mitigación los efectos adversos medioambientales sobre la atmósfera no pueden ser controlados. Actualmente la lluvia ácida es uno los problemas ambientales que sufre nuestro planeta (Robertson, N. & Wunder, S. 2005) [17]. De acuerdo a los reportes del Noroeste de los Estados Unidos y varios otros países industrializados considerados como primeros emisores de gases de efecto invernadero ponen en manifiesto que la degradación del aire está teniendo un efecto significativo sobre las plantas, pues estos países están viendo morir sus fragmentos boscosos por efecto de la lluvia ácida, fenómeno que sin duda alguna está afectando varias zonas de cultivo y poniendo en peligro la sostenibilidad de los bosques al verse afectado todo el ecosistema. En este sentido y según la convención del cambio climático - Rió de Janeiro (1992) se estableció un mecanismo de compensación o pagos por servicios ambientales, el cual permite que los países menos desarrollados puedan adquirir recursos de los piases industrializados, entre estos servicios ambientales están; protección de cuencas, conservación de la biodiversidad, fijación almacenamiento de carbono y el mantenimiento de bosques, debido a que estos
ecosistemas son los únicos que pueden mantener el equilibrio ecológico por ser reguladores del clima en forma global. En todo el mundo, una nueva generación de iniciativas de conservación pretende crear sistemas en los cuales los usuarios de uno o más servicios ambientales compensen a los regentes del recurso por la conservación de dichos servicios. Estos sistemas, denominados „pagos por servicios ambientales‟ (PSA), podrían tener el potencial de proteger servicios ambientales, al mismo tiempo estos países en vías de desarrollo puedan adquirir beneficios económicos, por mantener los ecosistemas sin perturbaciones que alteren su equilibrio (Robertson, N & Wunder, S. 2005). La falta de conocimientos sobre procesos de contaminación global y conciencia ambiental, no genera una idea clara sobre el valor de los ecosistemas y su biodiversidad, que son afectados por agentes contaminantes que son incluidos en procesos naturales, que afectan en gran magnitud con el transcurrir del tiempo. A partir de esta compilación técnica de información referida a la lluvia ácida, se pretende generar un conocimiento básico que permita comprender de manera general este fenómeno, identificando las causas y efectos de las lluvias ácidas sobre los diferentes ecosistemas.
2. Marco Teórico De manera general y según referencia bibliográfica se pueden discriminar tres tipos de lluvias que son detalladas a continuación:
2.1 Lluvia normal La lluvia se forma cuando las moléculas de vapor de agua se condensan sobre cristales de hielo o de sal en la atmósfera, o sobre minúsculas partículas de polvo en las nubes, para formar gotitas de agua que responden a la gravedad terrestre y caen formando lluvia. A medida de que la lluvia cae atravesando la atmósfera, puede "ir levantando" o "lavar" elementos y productos químicos y otros contaminantes (Stumm, W, et al 1987). El agua de atmósfera naturalmente registra pH de 5.0 a 5.5 por lo que es considerada ácida, ya que contiene ácido carbónico que viene de la disolución del dióxido de carbono (Castro, et al 2000).
2.2 Lluvia radiactiva La lluvia radiactiva es deposición de partículas radiactivas, liberadas en la atmósfera por explosiones nucleares o escapes de instalaciones y centrales nucleares, sobre la superficie de la Tierra. Este fenómeno se observó desde el periodo de las pruebas nucleares atmosféricas a gran escala realizadas en la década de 1950 y comienzos de la de 1960. Se hicieron alegatos sobre sus
ecosistemas son los únicos que pueden mantener el equilibrio ecológico por ser reguladores del clima en forma global. En todo el mundo, una nueva generación de iniciativas de conservación pretende crear sistemas en los cuales los usuarios de uno o más servicios ambientales compensen a los regentes del recurso por la conservación de dichos servicios. Estos sistemas, denominados „pagos por servicios ambientales‟ (PSA), podrían tener el potencial de proteger servicios ambientales, al mismo tiempo estos países en vías de desarrollo puedan adquirir beneficios económicos, por mantener los ecosistemas sin perturbaciones que alteren su equilibrio (Robertson, N & Wunder, S. 2005). La falta de conocimientos sobre procesos de contaminación global y conciencia ambiental, no genera una idea clara sobre el valor de los ecosistemas y su biodiversidad, que son afectados por agentes contaminantes que son incluidos en procesos naturales, que afectan en gran magnitud con el transcurrir del tiempo. A partir de esta compilación técnica de información referida a la lluvia ácida, se pretende generar un conocimiento básico que permita comprender de manera general este fenómeno, identificando las causas y efectos de las lluvias ácidas sobre los diferentes ecosistemas.
2. Marco Teórico De manera general y según referencia bibliográfica se pueden discriminar tres tipos de lluvias que son detalladas a continuación:
2.1 Lluvia normal La lluvia se forma cuando las moléculas de vapor de agua se condensan sobre cristales de hielo o de sal en la atmósfera, o sobre minúsculas partículas de polvo en las nubes, para formar gotitas de agua que responden a la gravedad terrestre y caen formando lluvia. A medida de que la lluvia cae atravesando la atmósfera, puede "ir levantando" o "lavar" elementos y productos químicos y otros contaminantes (Stumm, W, et al 1987). El agua de atmósfera naturalmente registra pH de 5.0 a 5.5 por lo que es considerada ácida, ya que contiene ácido carbónico que viene de la disolución del dióxido de carbono (Castro, et al 2000).
2.2 Lluvia radiactiva La lluvia radiactiva es deposición de partículas radiactivas, liberadas en la atmósfera por explosiones nucleares o escapes de instalaciones y centrales nucleares, sobre la superficie de la Tierra. Este fenómeno se observó desde el periodo de las pruebas nucleares atmosféricas a gran escala realizadas en la década de 1950 y comienzos de la de 1960. Se hicieron alegatos sobre sus
efectos dañinos durante muchos años, pero hasta 1984 no se adoptó una decisión trascendental, cuando un juez federal de Utah dictaminó que 10 personas habían enfermado de cáncer debido a la negligencia del gobierno en lo referente a la exposición de los ciudadanos a la lluvia radiactiva en aquel estado. En 1985 el Tribunal de apelación de pensiones de Inglaterra y Gales llegó a una conclusión similar en el caso de un veterano de las pruebas nucleares británicas en las islas Christmas durante la década de 1950. Desde la firma del tratado de limitación de pruebas nucleares en 1963, los niveles de lluvia radiactiva han disminuido en todo el mundo. (Lee, J & Weber, D. 1982).
2.3 Lluvia ácida El término “lluvia ácida”, se refiere refi ere a uno de los fenómenos relacionados con el cambio global de la atmósfera, el cual se ha generado a partir de la interacción entre la emisión y formación de gases contaminantes, y la dinámica atmosférica. La lluvia ácida se caracteriza principalmente por la formación de precipitaciones con un carácter de acidez (que incluyen la lluvia, la nieve y la depositación de partículas), las cuales causan efectos importantes sobre el medio. La lluvia se vuelve ácida debido al descenso del pH, encontrándose de 4.0 a 4.2 esto debido a la combinación con dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx). Estos gases pueden alcanzar niveles muy altos en la atmósfera, donde se mezclan y reaccionan con agua, oxígeno y otras substancias químicas, para dar paso a la formación de la lluvia ácida (Lee, J & Weber, D. 1982).
2.4 La Química de la Lluvia Ácida Las sustancias con un pH menor que 7 son ácidas, por el contrario, las sustancias con un pH mayor a 7 son consideradas básicas o alcalinas. La lluvia ácida ha tenido una particular importancia desde su aparición, debido a que está caracterizada por tener un pH menor al de la lluvia en su estado natural, considerada como una sustancia ácida, ya que tiene un pH alrededor de 5,6. La acidez natural del agua lluvia se genera por el equilibrio existente con el bióxido de carbono (CO2), formando el ácido carbónico (H 2CO3), el cual es un ácido débil.
CO2 + H2O → H2CO3 La Figura 1 muestra diferentes sustancias en la escala de pH, entre las cuales se encuentra la lluvia en su estado natural.
Valores Efecto Efe ctos s en el med medio io am ambi bien ente te del pH pH Ej Ejem empl plo os
Ácido Ác ido
pH = 0 pH = 1 pH = 2 pH = 3
Mueren todos los peces (4.2) Mueren los huevos de rana, renacuajos, cangrejos de río y efímeras (5.5)
pH = 4 pH = 5
Comienzan a morir las truchas arco iris
Neutro
pH = 6 pH = 7 pH = 8 pH = 9 pH = 10 pH = 11 pH = 12 pH = 13 pH = 14
Básico
Ácido de bat Ácido baterí ería a Ácido Ác ido sulf sulfúric úrico o Jugo de li món, vinagre vinagre Jugo de naranja, bebida gaseosa Lluvia ácida (4.2 - 4.4) Lago ácido (4.5) Bananos (5.0-5.3) Lluvia limpia (5.6) Agua saludable (6.5) Leche (6.5-6.8) Agua Agu a pura pura Agua Agu a de de mar mar,, huev huevos os Bicarbonato de sodio Leche de magnesia Amoní Am oníaco aco Agua Agu a jabono jabonosa sa Blanqueador Limpiador líquido para desagües
Figura 1. pH para sustancias comunes y la lluvia “no c ontaminada”. (Fuente: http://www.elmhurst.edu)
La lluvia es considerada “contaminada”, o lluvia ácida, cuando los óxidos de azufre y de nitrógeno intervienen en la química de la atmósfera y en su equilibrio, causando que el pH de la lluvia, disminuya a menos de 5,6 en la escala de pH. Como ejemplo se tiene, que la lluvia con un pH de 4, es 40 veces más ácida que la lluvia en su estado natural, esto debido a la escala logarítmica del pH (potencial de hidrógeno). TRANSFORMACIONES QUIMICAS SO2 NO2
Luz solar
SO2 NO2
SO2 2NO 2
Deposición seca
H2 O
2H+ + SO=4
H 2SO 4
Luz solar
Dispersión
H2O
O2
SO3
NO + O; O2+ O2
O3; NO O3
NO2 + O2
Efectos de las nubes y la niebla
H2 O
+
H + HSO3
H2O
HNO2 + HNO3
Lluvia ácida
NH3
HNO3
H2SO 4
Lixiviado Lix iviado de nutrientes nut rientes
Emisión
Escorrentía Deposición
La lluvia ácida y en general su proceso de precipitación en el medio es denominado también depositación ácida. La depositación ácida puede ser de dos tipos: la depositación seca o la depositación húmeda y depende de las formas precursoras (gaseosas o en aerosol) de las precipitaciones ácidas. En la Tabla 1 se presenta la clasificación de la lluvia de acuerdo con el pH. Tabla 1. Clasificación del agua lluvia de acuerdo con el pH.
pH pH > 5,6 4,7 < pH ≤ 5,6 4,3 < pH ≤ 4,7 pH ≤ 4,3
Clasificación de la lluvia Lluvia no ácida Lluvia ligeramente ácida Lluvia medianamente ácida Lluvia fuertemente ácida
3.3 Tipo de deposiciones de lluvia ácida Esta lluvia ácida puede retornan a la superficie terrestre en dos tipos de deposiciones, que son detalladas a continuación:
Deposiciones húmedas; que pueden ser la lluvia, llovizna y roció. Deposiciones secas; son deposiciones en forma de nieve, niebla o granizo, este tipo de deposición registran niveles más ácidos que la deposición húmeda, por tener elevadas concentraciones de Sulfatos y Nitratos, que se encuentran suspendidas en el aire.
Ambos tipos de deposición pueden ser acarreados por el viento, agua u otro vector a distancias sumamente grandes (Fig.2) (Landsberg, H.1984).
Contaminantes Gaseosos en la Atmósfera
Fuentes COV
COV SO2
NOx
NOx
a c e S n ó i c i s o p e D
Contaminantes Particulares en la Atmósfera
Contaminantes en Nubes de Agua y Precipitación
a c e S n ó i c i s o p e D
Deposición Húmeda
Hg
Natural
Receptores
Antropogénicas
Figura 2. Fuentes y receptores de la lluvia ácida. (Fuente: http://www.epa.gov/air/espanol/lluvia_acida/quespage.html)
La Depositación Seca Ocurre normalmente a pocos kilómetros del foco emisor. Consiste en el retorno al medio de gases como los óxidos de azufre y de nitrógeno en forma de partículas o de aerosoles, siendo depositados en forma seca. La depositación seca está además constituida por partículas de polvo, llamadas partículas suspendidas, que se conocen generalmente como polvo atmosférico, las cuales, pueden ser también de carácter básico.
La Depositación Húmeda La precipitación húmeda es la que ha representado una mayor importancia y por lo tanto, una mayor cantidad de estudios sobre su comportamiento. Generalmente, la precipitación húmeda es más conocida por ser la causante de la acidificación en el medio, dejando muchas veces a un lado las precipitaciones secas. Este tipo de depositación es formada cuando los compuestos gaseosos precursores de la lluvia ácida entran en contacto con el vapor de agua, la luz y el oxigeno de la atmósfera y se crea una mezcla de ácido sulfúrico y ácido nítrico. Después de estos procesos y de estas reacciones catalíticas iniciadas en forma fotoquímica en la atmósfera, esta mezcla viaja muchos kilómetros, precipitándose y cayendo al medio en forma de depositación húmeda. El ácido producto de este proceso, se deposita en solución en el terreno y los vegetales durante las precipitaciones atmosféricas. El proceso de generación de las precipitaciones ácidas húmedas, sigue entonces, dos etapas: Etapa fotoquímica: Que ocurre en fase gaseosa. El dióxido de azufre (SO 2) y el óxido de nitrógeno (NO), se oxidan a trióxido de azufre (SO 3) y dióxido de nitrógeno (NO 2) respectivamente, gracias a la energía proporcionada por la radiación ultravioleta del sol y por los demás agentes oxidantes de la atmósfera. Etapa catalítica: Tiene lugar en fase líquida y consiste en la transformación del SO 2 original en ácido sulfúrico (H2SO4), por disolución acuosa, siendo catalizada principalmente, por la reacción con sales de hierro y de manganeso presentes en las gotas de agua. Parte de este ácido es neutralizado en la atmósfera por el amoníaco, originándose iones amonio (NH 4+), el resto aparece disuelto en las gotas de lluvia, acidificándola, en forma de iones sulfato SO 4-2 y iones de hidrógeno H+. Los óxidos de nitrógeno pasan a formar ácido nítrico (HNO 3) que también aparece disociado en forma iónica en las gotas de lluvia.
2.5 Fuentes de origen de la lluvia ácida
Los contaminantes atmosféricos como el SO 2 y el NOx se oxidan hasta sulfatos (SO4=) y nitratos (NO 3-), que combinados con el vapor de agua retornan al suelo como ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido nitroso (HNO 3) en forma de lluvia, llovizna, roció nieve niebla o granizo. En general, las sustancias generadoras de la contaminación atmosférica se dividen en dos grandes grupos según su mecanismo de formación: los contaminantes primarios y los contaminantes secundarios. Los óxidos de azufre emitidos directamente a la atmósfera, pertenecen a los contaminantes primarios (aquellos procedentes directamente de las fuentes de emisión); mientras que los productos de la reacción del nitrógeno atmosférico, los óxidos de nitrógeno y azufre con el vapor de agua y demás sustancias oxidantes de la atmósfera, son conocidos como contaminantes secundarios (aquellos originados por la interacción de dos o más contaminantes primarios o por reacción con los constituyentes normales de la atmósfera). Contaminantes Secundarios
Contaminantes Primarios
Aquellos originados en el aire por interacci ón entre dos o más contaminant primarios, o por sus reacciones con lo constituyentes normales de la atmósfer
Aquellos procedentes directamente de las fuentes de emisión
CO SOx
H2SO 4
La mayoría de los Hidrocarburos
HNO3
NO
Natural
Estacionaria
Fuentes
Móvil
Figura 3. Los contaminantes Primarios y Secundarios en la Atmósfera. (Fuente: www.educarchile.gov.ch)
2.5.1 Contaminación antrópica o industrial La deposición de sustancias ácidas ha sido calificada como un problema ambiental de carácter mundial cuyas principales causas se encuentran la emisión de óxidos de azufre y nitrógeno durante las actividades industriales, transporte y la quema de combustibles fósiles, estos compuestos son considerados como las principales fuentes de la lluvia ácida, por otra parte la sociedad industrial genera otros tipos de contaminantes puede contribuir a la formación de lluvias ácidas tales como los compuestos orgánicos volátiles y los hidrocarburos que pueden reaccionar por si mismos o pueden combinarse
a) Combustibles fósiles: Los combustibles fósiles son hidrocarburos, que son compuestos formados por hidrógeno y carbono; algunos contienen también pequeñas cantidades de otros componentes. Los hidrocarburos se forman a partir de antiguos organismos vivos que fueron enterrados bajo capas de sedimentos hace millones de años. Debido al calor y la presión creciente que ejercen las capas de sedimentos acumulados, los restos de los organismos se transforman gradualmente en hidrocarburos. Los combustibles fósiles más utilizados son el petróleo, el carbón y el gas natural. Estas sustancias son extraídas de la corteza terrestre y, si es necesario, refinadas para convertirse en productos adecuados, como la gasolina, el gasóleo y el queroseno. Algunos de esos hidrocarburos pueden ser transformados en plásticos, sustancias químicas, lubricantes y otros productos no combustibles. b) Centrales eléctrica: Las centrales eléctricas térmicas, son instalaciones que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera.
2.5.2 Fuentes de Óxidos de Azufre SO2 El SO2 es un gas incoloro, no explosivo, no combustible, de olor astringente y ente los gases que contienen azufre están SO 2 SO3 H2S SO4= donde el SO 2 es la emisión más importante de los contaminantes con S.
Los más representativos de los compuestos de azufre son: SO2: incoloro, de olor picante e irritante. SO3: incoloro y muy reactivo que condensa fácilmente.
S + O2 → SO2 2SO2 + O2 → 2 SO3 Oxidación heterogénea del SO2: En las superficies de gotas de agua o de partículas: SO2 + H2O → H2SO3 H2SO3 + H2O2 → H2SO4 +H2O Por oxidación homogénea del SO2. Foto-oxidación directa:
SO2 + hv(240>λ>400nm) → SO 2* (excitado) SO2* + O → SO3 + O En condiciones normales el SO 3 no se encuentra en la atmósfera ya que reacciona con el agua atmosférica formando H 2SO4.
SO3 + H2O → H2SO4 2.5.3 Fuentes Óxidos de Nitrógeno NOx Los óxidos de nitrógeno están conformados por un grupo de compuestos químicos gaseosos muy reactivos que son generados por las siguientes actividades antrópicas (tabla 2).
Fuente: Wigley T.M.L 1999
Dentro de los óxidos de nitrógenos se consideran las siguientes especies:
Como óxidos están, N2O, NO2, NO3, N2O5, Como ácidos HNO 2, HNO3
Donde los más importantes son: NO 2, NO y N2O (concentraciones muy bajas).
N2O: Gas no toxico, que no participa en los procesos fotoquímicos troposféricos. NO: incoloro, inodoro y tóxico participa en los procesos fotoquímicos troposféricos NO2: pardo-rojizo y olor asfixiante interfiere en los procesos fotoquímicos troposféricos
Combustión a altas temperaturas (> 1200ºC)
N2 + O2 → 2NO 2NO + O2 → 2NO2 NOx = NO + NO2 N2 + O2 → NO 2NO + O2 → 2NO2 2.5.4 Contaminación natural (polución) Los compuestos de azufre y nitrógeno son producidos por la descomposición de la materia orgánica en pantanos, humedales, áreas de mareas y aguas poco
profundas del océano, estos compuestos emiten gases a la atmósfera contribuyendo a la formación de la lluvia ácida. La cantidad que se produce de esta manera no es bien conocida, pero es muy considerable. Las estimaciones de la producción natural de los sulfatos y otros compuestos de azufre son del 35 al 85% del total – un rango bastante amplio. Y los compuestos de nitrógeno de origen natural se calculan entre el 40 al 60% del total. La contribución de los relámpagos a la acidez de las lluvias es importante. Dos ocurrencias de relámpagos sobre un kilómetro cuadrado, producen suficiente ácido nítrico para que 20 mm de lluvia tengan un pH 3.5. De hecho, se calcula que solamente los relámpagos mantienen al promedio mundial de lluvias con un pH de 5.0. Aunque se reconoce que la contribución del dióxido de azufre de los volcanes es considerable, nunca se ha tomado muy en serio pues los que estudian estos fenómenos afirman que es difícil de predecir estos eventos y por lo tanto es difícil medirlos De manera natural los compuestos que forman la lluvia ácida son producidos por diversas formas entre ellas las más importantes se resumen en la tabla siguiente:
En el suelo la degradación anaeróbica del Nitrógeno proteico hasta N 2O, (desnitrificación) y la liberación bacteriana de NO, cuando llegan a la atmósfera experimentan una lenta pero constante oxidación a NO2 (ciclo fotolítico de los NOx). (apuntes físico química 2006).
3. Efecto de la lluvia ácida La lluvia ácida está afectando la estabilidad de diversos ecosistemas, ya que este fenómeno esta llagando a formar parte del ciclo del agua y, por tanto, está modificando los patrones climáticos, llegando a alterar los siguientes ecosistemas:
a) Efectos en la salud: La lluvia ácida al caer en la superficie terrestre libera partículas pequeñas cuyos efectos son perjudiciales para la salud humana, cuando estas partículas ingresan a los pulmones estos pueden causar enfermedades respiratorias tales como el asma o la bronquitis crónica, neumonía dificultando de esta manera que la gente pueda respirar sin ningún tipo de contratiempo, por otra estas pueden derivar a afecciones cardiovasculares.
b) Efecto sobre el agua: La lluvia ácida ha hecho que muchos lagos y arroyos en la región noreste de los Estados Unidos y en otros lugares tengan niveles de pH mucho más bajos. Este aumento de la acidez y de los niveles de aluminio puede ser mortal para la vida acuática silvestre, incluido el fitoplancton, las efímeras, las truchas arco iris, las alubinas de boca chica, las ranas, las salamandras manchadas, los cangrejos de río, y si la acidez aumenta, más especies de plantas y animales declinan o desaparecen y la relación presa-depredador de la red de alimentación se verá afectada. Actualmente más de 18.000 lagos están acidificados lo que está provocando grandes daños sobre la vida acuática así como la pérdida de sus poblaciones piscícolas.
Este problema puede llegar a ser mucho más grave durante las lluvias fuertes o al escurrimiento de la nieve cuando se derrite en la primavera. Estos tipos de aumentos breves se conocen como acidificación episódica c) Efectos en el Bosque: La lluvia ácida puede ser extremadamente perjudicial para los bosques, debido a que el agua que cae al suelo puede disolver muchos minerales y nutrientes que los árboles necesitan para mantenerse sanos y crecer. Dentro del ciclo hidrológico este fenómeno penetra a las reservas de aguas subterráneas y solubiliza los mentales entre ellos al Ca+2 y el Mg+2 presentes en el suelo, incrementando los niveles de metales tóxicos tales como cobre, mercurio y aluminio siendo este ultimo el mas toxico para plantas pues si la concentración de Al+3 y además la proporción de Ca+2/Al+3 es menor a uno (<1) aumenta la absorción de Al por las raíces de los árboles de manara tal que los bosques se tornan susceptibles a ingreso de bacterias, patógenos u otro tipo de vectores que generan enfermedades que pueden derivar en la muerte de estos ecosistemas, este siniestro fenómeno no solo altera a los bosques si no también genera alteraciones en la regeneración natural y el sotobosque.
Los árboles que se hallan en regiones montañosas muy elevadas, tales como Piceas y Abetos, corren mucho más riesgo porque están expuestos a las nubes y la niebla ácidas, con mucha más acidez que la lluvia. Las nubes y la niebla ácidas disuelven los nutrientes importantes que los árboles tienen en sus hojas y acículas. Esta pérdida de nutrientes disminuye la resistencia de los árboles y los bosques a los daños causados por infecciones e insectos, y también por el frío del invierno.
d) Daños en los edificios y objetos: La lluvia ácida y la deposición seca de partículas ácidas contribuyen a la corrosión de metales (como bronce) y el deterioración de pintura y piedra (como mármol y caliza). Daña construcciones que tienen carbonatos CaCO3. CaCO3 + H2SO4 → CaCO4 + CO2 + H2O Estos efectos reducen el valor social de edificios, los puentes, significativamente los objetos culturales (como las estatuas, monumentos, y lápidas), al igual que los
automóviles son afectados. Cuando esta lluvia es captada por alcantarillas puede disolver Pb y Cu, además de trasportarlas a grandes distancias, que podrían ser perjudiciales.
4. Reducción de los componentes de la lluvia ácida Los científicos han encontrado diversas maneras de reducir el volumen de SO 2 y NOX basadas en las siguientes consideraciones estratégicas:
a) Uso de convertidores catalíticos: Son dispositivos que fueron desarrollados para la eliminación del dióxido de azufre SO 2 y el NO2 dióxido de nitrógeno que son gases rutinariamente presentes en los escapes de los automóviles, a continuación se detalla una lista de estos componentes: • Monóxido de carbono (CO), de la combustión incompleta del combustible, • Dióxido de carbono (CO2), de la combustión completa del combustible, • Vapor de agua (H2O) • Óxidos de nitrógeno (NO, N 2, N2O, NO2, etc.) • Óxidos de azufre (SO, SO 2, etc.) • Hidrocarburos varios (HX – CY, etc.) cíclicos y cadenas de todo tipo. Todo lo que el convertidor hace es “convertir” una sustancia en otra, y lo hace mediante la ionización de los diferentes gases que pasan a través suyo. De manera breve, cuando el dióxido de carbono pasa por un convertidor, hace contacto con el platino que está en su interior, y es descompuesto en iones de carbono y oxigeno. Cuando el agua es descompuesta, forma iones de hidrógeno y oxigeno. Lo mismo sucede con cualquier otro gas que ingresa al convertidor catalítico.
b) Tecnología Plasma para desagregación de gases tóxicos: Cuando el plasma se forma, se tendrá una descarga luminosa compuesta de electrones, (partículas ligeras), iones, moléculas y átomos (partículas pesadas). Si en un plasma hay un gran intercambio de energía, entre las diversas especies de partículas, las temperaturas de los iones, moléculas, átomos y electrones será aproximadamente la misma, por lo que se dice entonces que el plasma esta en equilibro térmico. En cambio, cuando no hay suficiente intercambio de energía, las partículas pesadas tendrán temperaturas mucho menores que las de los electrones y se dice entonces que el plasma esta fuera de equilibrio o que es plasma frió. Para la desagregación de gases tóxicos se utilizara este tipo de plasma, mas específicamente una combinación de descargas, estas se forman al aplicar una descarga eléctrica a un gas que pasa entre dos electrodos pueden tener forma de placa o de cilindro concéntrico. Este tipo de descargas ha sido utilizado para degradar compuestos como NO x, SO x, CO, CO 2, vapor de mercurio y compuestos orgánicos volátiles. d) Otras medidas: Entre otras medidas que puedan reducir lo SO2 y NOx están:
Lavar el carbón para quitarle parte del azufre. La central eléctrica también pueden instalar equipos llamados torres de lavado de gases, los cuales eliminan el dióxido de azufre de los gases que salen por la chimenea. Debido a que los óxidos de nitrógeno son creados durante el proceso de combustión de carbón y otros combustibles fósiles, Energía solar y la energía eólica Diseño de automóviles de acuerdo a la Guía verde de vehículos de la EPA http://www.epa.gov/greenvehicle
4.1 Fuentes de energía alternativas La posibilidad de reducir la dependencia mundial de los combustibles fósiles plantea problemas. Existen energías alternativas como la energía hidráulica, la energía solar, la energía eólica y la energía geotérmica, pero en la actualidad el conjunto de esas fuentes de energía sólo alcanza el 14% del consumo mundial de energía. Hasta la fecha, la utilización de energías alternativas se ha visto frenada por dificultades tecnológicas y medioambientales debido a las energías solar y eólica parecen seguras desde un punto de vista medioambiental, pero son poco fiables como fuentes de energía estables. Como el consumo global de energía crece cada año, el desarrollo de ciertas fuentes alternativas de energía se hace cada vez más importante.
6. Medidas de mitigación La ratificación de 129 países al protocolo de Kyoto confirma la preocupación de la comunidad mundial por la problemática citada anteriormente. En dicho protocolo se establecen objetivos para que los países industrializados reduzcan las emisiones de los gases de efecto invernadero. De origen las industrias tendrán que optimizar aun mas sus procesos para disminuir la contaminación, aplicar tecnologías limpias y desarrollar nuevos combustibles, además de apoyar la investigación de nuevas tecnologías. A medida que las amenazas a los ecosistemas de la tierra aumentan y cambian, se ha prestado mayor atención a los importantes servicios que éstos brindan a la humanidad. Estos servicios incluyen fijación y almacenamiento de carbono, protección de cuencas, belleza paisajística y conservación de la biodiversidad. En todo el mundo, una nueva generación de iniciativas de conservación pretende crear sistemas en los cuales los usuarios de uno o más servicios ambientales compensen a los regentes del recurso por la conservación de dichos servicios. El concepto de pagos por servicios ambientales (PSA) ha surgido, en años recientes, como posible instrumento para lograr la conservación de ecosistemas y la mejora de los sistemas de sustento de suministradores y consumidores de servicios ambientales. En Bolivia, como en otras partes, existe considerable
incertidumbre en cuanto a qué son servicios ambientales, qué significa PSA, hasta qué grado se están implementando actualmente y cuáles son sus perspectivas de éxito. La definición general de „servicios ambientales‟ se refiere a los beneficios que el mundo natural suministra a las personas. Estos beneficios son numerosos y variados, e incluyen servicios que mejoran la calidad de la tierra, el aire y el agua. Si bien estos beneficios son en general considerables, frecuentemente se ignoran en la toma de decisiones acerca de uso y manejo de recursos. La falta de inversión en protección y manejo de bosques y otros recursos naturales conlleva al agotamiento de la cobertura vegetativa natural y de los suelos, al deterioro de cuencas y a la extinción de especies. Estos efectos, frecuentemente, derivan en considerables pérdidas económicas y sociales. Según el Protocolo de Kioto establece esta opción transacciones de derechos de emisión sólo entre países que firmaron el convenio. Este sistema se asemeja al modelo teórico clásico de Dales (1968) y al Sistema de Derechos Negociables para Control de Lluvia Ácida desarrollado en Estados Unidos (1990) 1, por esta razón este mecanismo probablemente tendrá características de un mercado fluido, sencillo y eficiente para el intercambio de derechos oferentes y demandantes. Entre las medidas de mitigación destinadas a la reducción o la captura de algunos contaminantes están:
1
Conservación y restauración de bosques naturales y suelos de vocación forestal Rehabilitación de tierra agrícola degradada para mejorar el contenido de carbono en el suelo siempre orientadas hacia el uso sostenible de la tierra. Manejo de plantaciones y bosques para maximizar la captura de carbono Desarrollo de energía eólica y otras nuevas alternativas Electrificación rural con sistemas fotovoltaicos Construcción de micros y mini plantas hidroeléctricas Mejoramiento de la eficiencia de plantas de energía térmica Manejo de la demanda de energía eléctrica Programas de mantenimiento de la flota vehicular Readecuación de equipo industrial de alto consumo energético Generar proyectos de conservación de biodiversidad orientados a reducir la erosión genética. Protección de cuencas hidrográficas
Estudio de Estrategia Nacional para la Implementación del MDL en Colombia. The World Bank, 2000.
Reducción y captura de gases de contaminación de agua y aire Reducción de consumo de combustibles fósiles, buscando nuevos sustitutos.
7. Conclusiones • Se ha podido llegar a comprender los efectos de la lluvia ácida sobre los ecosistemas. • Se podido entender que este fenómeno es influenciado por la emisión de SO 2 y NOx de origen natural y antropogénico siendo los principales emisores los países industriales. • Estados Unidos considera que los efectos medioambientales entre la lluvia ácida no necesariamente es influenciados por los contaminantes atmosféricos, si no bien son producidos por la declividad de los ecosistemas. • El 42% del territorio boliviano está formado por bosques pero lamentablemente en la actualidad no cuenta con políticas adecuadas para generar beneficios por la venta de servicios medioambientales, que podrían generar ingresos a los actores de lugares prioritarios.
b. Fuente: www.educarchile.cl Figura 5. Transformaciones Químicas de los principales precursores de la Lluvia Ácida
El proceso desarrollado en la tropósfera, se refiere al momento en el cual los precursores del fenómeno son inicialmente oxidados. Los radicales hidroxilo (OH), metilo (CH3) y la molécula de ozono (O 3), se convierten en los principales agentes oxidantes en este proceso. A partir de las reacciones fotoquímicas, las formas atómicas del ión OH - y de los radicales metilo (CH 3), generan especies muy
reactivas que inician la serie de reacciones en cadena del fenómeno. Los radicales OH son entonces, uno de los responsables de la oxidación inicial de los compuestos gaseosos de azufre y de nitrógeno presentes en la tropósfera. Durante estas reacciones se generan, las formas más oxidadas de los compuestos gaseosos precursores de la depositación húmeda. El segundo proceso a nivel molecular, explica la transformación química de los precursores de lluvia ácida en las nubes y describe la reacción de los gases precursores con el vapor de agua condensado. En esta etapa, la solubilidad del SO2 se incrementa en agua, debido a la presencia de agua oxigenada, la cual oxida el ácido sulfuroso (H2SO3) que es la especie que se forma al disolverse el SO2 en agua, para luego dar lugar a la formación del ácido sulfúrico (H 2SO4). Otra vía posible de oxidación del SO 2 en fase acuosa, es producida cuando participan iones metálicos como el hierro y el manganeso, además de la participación de partículas sólidas. La formación de ácido nítrico se da preferiblemente en fase gas, debido a su baja solubilidad. El NO 2 también se oxida por la reacción de radicales OH, el ozono también produce la transformación del NO 2 a HNO3. La figura 6 muestra las reacciones ocurridas principalmente a nivel troposfera y de las nubes.
Figura 6. Procesos de transformación química relacionados con la generación de la lluvia ácida a nivel molecular. (Fuente: Doménech, 1994).
Los agentes precursores de la lluvia ácida Los óxidos de azufre (SO2) y los óxidos de nitrógeno (NO x) son los principales compuestos precursores de lluvia ácida, sin embargo, en este fenómeno participan otros compuestos de cloro, amoniaco y compuestos orgánicos volátiles (COV), entre otros. Estos compuestos son oxidados para convertirse en formas más reactivas con el agua (siendo hidrolizados), produciéndose así, ácidos fuertes como el ácido sulfúrico y el ácido nítrico.
Fuentes Generadoras
Las sustancias precursoras de la lluvia ácida, se producen principalmente a partir de la quema de combustibles, principalmente en refinerías de petróleos, en centrales térmicas, en industrias que emplean hornos, en industrias de minerales, de compuestos de cloro, en la fabricación o producción orgánica de amoniaco y en la producción o almacenamiento de los compuestos orgánicos volátiles (COV). Los óxidos de nitrógeno, son producidos mayormente a través de la reacción a altas temperaturas del nitrógeno atmosférico. La actividad microbiana del suelo se constituye también como una fuente generadora importante de óxidos de nitrógeno, participando a través del tratamiento y disposición de residuos, los cuales contribuyen en menor cuantía pero sin dejar de ser importantes, ya que se produce óxido nitroso (N2O) y se emite óxido nítrico (NO). Otras fuentes están representadas, por descargas eléctricas o por introducción en la tropósfera de óxidos de nitrógeno provenientes de la estratosfera.
Figura 1. 50 millones de toneladas de SO 2 son dispersadas cada año en Europa. (Fuente http://www.fao.org/docrep/q2570s/q2570s02.htm)
Los Principales Contaminantes Precursores de Lluvia Ácida Óxidos de Azufre Al quemar los combustibles fósiles (como el carbón y los derivados del petróleo) que contienen azufre se producen los óxidos de azufre. En el carbón, el azufre puede presentarse de diversas formas (pirítico o inorgánico, u orgánico) que en el proceso de combustión produce dióxido y trióxido de azufre, SO 2 y SO3, respectivamente. Prácticamente todo el SO 3 queda retenido en las cenizas de carácter alcalino pues reacciona con ellas. El SO2, menos reactivo sale con los gases de combustión. En el petróleo y sus derivados (sobretodo los más pesados: fuel oil, gasóleo y diesel) el azufre es de tipo orgánico, y al producirse menor cantidad de cenizas y no tener un carácter especialmente alcalino, retienen muy poco los óxidos de
azufre que se producen en la combustión. El dióxido de azufre tiende a oxidarse a trióxido de azufre o ácido sulfúrico y a sus sales mediante procesos fotoquímicos o catalíticos en la atmósfera. Este ácido se solubiliza en el agua de las nubes, acidificando las lluvias, la nieve y niebla. El dióxido de azufre en el ambiente está asociado con enfermedades como el asma y la bronquitis crónica y su acción podría potenciarse con humos, ozono (O3), dióxido de nitrógeno (NO 2), material particulado, polen y otros agentes bronconstrictores. El ejercicio físico aumenta el efecto bronconstrictor de este gas, ya que al aumentar la ventilación aumenta el SO 2 inhalado, siendo suficientes concentraciones de 0,25 a 0,5 ppm para causar estos problemas. Exposiciones en grandes periodos de SO 2 y partículas causan enfermedades respiratorias y agrava enfermedades del corazón ya existentes.
Óxidos de Nitrógeno De los seis óxidos de nitrógeno, el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2) son importantes contaminantes del aire. Proceden del nitrógeno del aire (compuesto de un 79% de nitrógeno en forma de N 2 y en un 21% de oxígeno en forma de O2) que debido a las altas temperaturas de la combustión se descompone y oxida dando lugar a la formación de varias especies químicas de oxígeno y nitrógeno identificadas genéricamente como NO x. El NO es el que está presente en mayor medida en las emisiones, pero en presencia del oxígeno atmosférico se transforma rápidamente a NO 2. Por este motivo se toma como estándar para efectos de cálculos (ej. modelación) y mediciones (calidad del aire) de los NOx como si todo estuviera en forma de NO 2. La formación de óxidos de nitrógeno no tiene que ver estrictamente con la combustión, sino más bien con la temperatura. De hecho, combustiones a las que se identifica habitualmente como limpias, son altamente productoras de NO x. Un ejemplo sería la combustión de Gas Licuado de Petróleo (GLP) en calderas y calefacciones domésticas, o la misma explosión de un motor de automóvil, donde, además de que la combustión no es completa, se alcanzan altas temperaturas y por ende se producen también NO x. Al igual que los SO x, los NOx tienen carácter ácido y pueden acabar por formar ácido nítrico HNO 3 (los NOx tienen un tiempo de vida de aproximadamente un día con respecto a la conversión a ácido nítrico), el cual se puede solubilizar en el agua dando lugar a deposiciones ácidas. Durante las tormentas eléctricas, parte del nitrógeno atmosférico es oxidado a pentóxido de nitrógeno N 2O5, el cual se une con el agua para dar ácido nítrico que igualmente es transportado por la lluvia a la tierra. El dióxido de nitrógeno absorbe la luz visible y a una concentración de 0,25 ppm causará apreciable reducción de la visibilidad. A una concentración de 0,5 ppm en
un periodo de 10 a 12 días ha detenido el crecimiento de las plantas tales como el fríjol y el tomate. Los NOx son además bastante oxidantes, lo que les confiere una particular agresividad en su acción sobre los ecosistemas y los seres vivos. Los niveles de NO por encima de 282 mg/m3 (150 ppm) pueden ser letales, mientras que las concentraciones dentro del rango de 94-282 mg/m3 (50-150 ppm) pueden producir enfermedades crónicas pulmonares. El nitrato (formado por la disolución de los NO x en el agua) está presente, generalmente, en cantidades muy pequeñas (trazas) en aguas superficiales; pero puede alcanzar niveles altos en las aguas lluvias estancadas que puedan "arrastrar" contaminantes emitidos en centros urbanos. Cantidades excesivas de nitrato contribuyen con el mal conocido como “metahemoglobinemia infantil”; un límite de 10 mg/lt de nitrógeno de nitratos se ha impuesto como límite en aguas potables para prevenir dicho mal.
Material Particulado Los resultados a que han llegado diversos estudios apuntan al papel que determinadas bases contrarrestan los efectos de la lluvia ácida neutralizando los contaminantes precursores de lluvia ácida. La gran atención prestada a la reducción de los contaminantes ácidos ha contribuido a la disminución de estas bases. La mayoría de las bases en la atmósfera acostumbran encontrarse en las partículas suspendidas o polvo atmosférico. Estas partículas de polvo son ricas en carbonato de calcio y de magnesio, minerales que actúan como bases cuando se disuelven en el agua. Las principales fuentes de estas bases son: la combustión de combustibles fósiles, las actividades industriales (producción de cemento), la minería, los incendios forestales, la erosión, entre otras. Esta puede ser una de las principales causas por las cuales, a pesar de un control más riguroso de la contaminación los niveles de acidez en la lluvia siguen siendo tan altos en algunas regiones de Europa y Norteamérica. Los aerosoles del ácido sulfúrico y otros sulfatos constituyen del 5 al 20 por ciento de las partículas en suspensión en el aire urbano, contribuyendo significativamente a la reducción de la visibilidad. Las investigaciones indican que mucha de la neblina atmosférica se debe a la formación de varios aerosoles resultantes de las reacciones fotoquímicas entre el SO 2, el material particulado, los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos presentes en la atmósfera. Las mediciones indican que una importante fracción del sulfato presente en el aire urbano tiene un tamaño efectivo de menos de 2 micras (mm), con el pico de distribución del tamaño alrededor de 0,2 a 0,9 mm. Como la longitud de onda del rango visible del espectro electromagnético varía aproximadamente de 0,4 a 0,8 mm, la presencia de aerosoles de este tipo puede causar una pronunciada reducción de la visibilidad.
Medidas de Reducción de Emisiones Precursoras de Lluvia Ácida Los procesos de combustión son las principales fuentes generadoras de precursores de lluvia ácida. Estos procesos son utilizados en diferentes actividades económicas que generan diversidad de gases emitidos a la atmósfera y cuyas características dependen, del tipo de combustible, de la tecnología empleada y de las características en que se realiza la combustión (temperatura de combustión, relación aire-combustible, entre otras). Las fuentes generadoras de lluvia ácida, han demostrado por lo tanto, que la mejor forma de controlar el problema, es a través de la reducción en la fuente de las sustancias emitidas. Entre las medidas para la reducción de las emisiones, se encuentran el uso de combustibles alternativos como la energía nuclear, hidroeléctrica, el viento, la energía geotermal, la energía solar, el gas natural, el uso de baterías y el uso de células fotovoltaicas, entre otros. En Colombia, la energía hidroeléctrica representa una fuente importante de generación de energía, a diferencia de países como Estados Unidos que utilizan el carbón como una de las principales formas de energía, generando así, mayores cantidades de emisiones de óxidos de azufre, debidas al azufre orgánico presente en esta forma de combustible. Las emisiones de precursores de lluvia ácida en Colombia y en general, en los distintos países, han demostrado una mayor incidencia de los óxidos de azufre que de nitrógeno. Con respecto a las fuentes emisoras del país, existe una mayor influencia de contaminantes por fuentes fijas que por fuentes móviles, siendo estas últimas, las mayores generadoras de óxidos de nitrógeno, y las fuentes fijas, (los procesos industriales) los mayores productores de partículas (El Medio Ambiente en Colombia-IDEAM, 2002). La reducción en el uso de combustibles fósiles con altos contenidos de azufre y la utilización de tecnologías que excluyan altas temperaturas de combustión principalmente en los vehículos de transporte, se constituyen en alternativas importantes para la reducción en la fuente de emisiones de óxidos de azufre y nitrógeno. En Colombia, la disminución de contaminantes en fuentes fijas, está generalmente enfocada en el desarrollo de programas que incentivan la utilización de tecnologías y combustibles alternativos, que traen consigo, beneficios a largo plazo para las industrias. En cuanto a las fuentes móviles, se han promovido proyectos a nivel nacional, para incrementar la utilización de gas natural vehicular, el cual permite una reducción importante de emisiones de óxidos de azufre, aunque todavía los sistemas utilizados no representan una reducción importante de óxidos de nitrógeno. Por otro lado, se vienen modernizando las refinerías de ECOPETROL, las cuales permiten una reducción aún mayor del azufre orgánico en la gasolina y por lo tanto, en la atmósfera. Al mismo tiempo, se está haciendo notable el uso masivo de alcohol carburante, el cual es mezclado con gasolina, que es el combustible vehicular más utilizado.
La participación activa de la población en estos procesos, cumple un papel importante en la reducción de las emisiones de óxidos de azufre y de nitrógeno desde la fuente. De esta manera, se recomienda el uso de transporte público o cualquier tipo de transporte alternativo (como por ejemplo las bicicletas, que no necesitan la quema de combustibles), la compra de vehículos con bajas emisiones (Low emission vehicles, LEV), además del adecuado y continuo mantenimiento de los mismos, y por último, el estar bien informado acerca de avances y soluciones del problema, promueve aportes importantes. 90 !-17ua148j1n
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Problema de la Lluvia Ácida
La lluvia ácida es considerada como un problema de calidad del aire con consecuencias no tan directas sobre la salud humana. Sin embargo, el fenómeno causa la acidificación del medio, generando efectos sobre los suelos, la vegetación y los cuerpos de agua, los cuales afectan directamente la calidad de vida de la población. Según lo proclamado en 2004 por la Organización Meteorológica Mundial-OMM, la acidificación del medio es catalogada a nivel global como un asunto que hace vulnerables a las regiones de Asia, África y Sudamérica, esto debido a los procesos regionales, entre los que se encuentran el desarrollo económico y el crecimiento poblacional, el uso del suelo y diferentes cambios a nivel climático. Además de los efectos en el entorno, la lluvia ácida ha sido catalogada como un complejo problema científico, del que hasta el momento, no se ha encontrado una solución definitiva. Esto debido a que sus efectos han sido documentados en diferentes regiones, como un problema transfronterizo que afecta directamente ecosistemas en países alejados a las fuentes precursoras de lluvia ácida. De esta manera, países con una baja producción de emisiones contaminantes, se han visto afectados por emisiones provenientes de zonas con una alta producción de óxidos de azufre y de nitrógeno. A continuación se describen los asuntos relacionados con la problemática desencadenada por la emisión de precursores de la lluvia ácida: el transporte a larga distancia de los contaminantes y los efectos generados, de los cuales se mencionarán los antecedentes (localizados principalmente en Europa) y los efectos específicos generalizados alrededor del mundo.
El Transporte a Larga Distancia de los Contaminantes La lluvia ácida se produce siguiendo la dirección del viento desde las áreas de importantes emisiones de dióxido de azufre (SO 2) y de formación de óxidos de nitrógeno (NOX). La lluvia ácida es considerada entonces como un fenómeno relacionado con el transporte de los contaminantes, el cual es determinado por la dirección y velocidad del viento, además de otros aspectos topográficos y meteorológicos que incluyen la altitud y la latitud (factores que determinan la altura
de capa de mezcla de los contaminantes, y fenómenos de inversión térmica que determinan los grados de contaminación, entre otros). Los mecanismos de transporte y transformación de la lluvia ácida configuran el problema de la Contaminación Transfrontera o transfronteriza. Los vientos, tienen una gran incidencia en el transporte de las nubes, las cuales se precipitan (depositación húmeda) en lugares bastante alejados del origen de las emisiones, después de varios días o semanas. Por otro lado, la depositación seca se constituye en un factor importante en la neutralización del problema en lugares cercanos a las fuentes emisoras, ya que la precipitación seca tiene influencia a pocos kilómetros del sitio emisor. Lo anterior explica porqué, según lo dicho por la OMM en 1991, las precipitaciones húmedas son neutralizadas en menor grado a grandes distancias, incrementado la probabilidad de que se desencadenen sus efectos.
Antecedentes de los Efectos de la Lluvia Ácida El primer escrito sobre el tema, fue el generado por Smith en 1872, quién publicó la obra titulada “Air and Rain, the beginnings of Chemical Climatology”. Esta obra contiene un informe detallado acerca de las variaciones del carácter ácido de la lluvia sobre y en la cercanía de la ciudad de Manchester, Inglaterra.
Figura 1. Los efectos de la lluvia ácida sobre el medio. (Fuente: http://www.monografias.com/trabajos13/lluvia/lluvia.shtml).
Años más tarde, el mismo autor utiliza por primera vez, el término “lluvia ácida” en su obra que trató sobre los principales factores que actúan en la formación del fenómeno. El aporte de Smith no es suficientemente valorado en el entorno científico de la época, sino mucho tiempo después, cuando se evidenció formalmente el daño de algunos lagos suecos en 1940. Mientras tanto, se desarrollaron algunas investigaciones aisladas que lograron alcances importantes y que llevaron a la formalización del término “lluvia ácida”, por ejemplo: en 1911, cuando se observa la directa relación entre sitios donde se llevaba a cabo la combustión de carbón y la inhibición en la germinación de ciertas especies de plantas; en 1919, cuando se demuestra que la acidez proveniente de la atmósfera acelera la acidificación de los suelos forestales y por último, cuando
se reporta la relación entre los niveles bajos de producción de truchas y la acidez de lagos y quebradas en 1927. Entre las investigaciones desarrolladas después de la formalización del término, se encuentra además, la realizada por Chernov en 1947, quien afirma que los minerales saturados de hidrógeno son altamente inestables (especialmente los ácidos), que se descomponen rápidamente liberando aluminio, magnesio y hierro, metales altamente tóxicos para las plantas. Fue hasta las décadas de los sesentas y setentas, que se empezaron a evidenciar serios efectos sobre organismos vegetales en conurbaciones cercanas a las principales fuentes estáticas de emisiones, así como en las áreas influenciadas por el calor de origen doméstico. En 1968, El sueco S. Oden demostró que las sustancias acidificantes que estaban recibiendo en abundancia los países escandinavos, provenían esencialmente de las regiones en las que estaban instaladas las industrias pesadas de Gran Bretaña y de Europa Central. Como consecuencia de diversos estudios sobre este asunto, se firmó en Ginebra en 1979 un Convenio Internacional sobre la Contaminación Transfronteriza a larga distancia que entró en vigor en 1983. Publicaciones que coincidieron con La Conferencia de Estocolmo en 1972, permitieron dar a conocer que el transporte a larga distancia de los contaminantes se estaba convirtiendo en un importante asunto entre los países de Europa. Uno de los problemas mayormente tratados fue el de la acidificación de los lagos en Suecia, los cuales empezaron a mostrar una creciente acidez. En 1977 Guderian registra uno de los eventos de acidificación del medio, más notables: la destrucción del bosque de “Selva Negra”, hecho en el cual, los árboles fueron muriendo después de recibir grandes cantidades de ácido sulfúrico depositado. A comienzos de los años 80 en Alemania se habló de la muerte de los Bosques Waldsterben (Figura 2), evento que fue muy importante en la toma de medidas para mitigar los efectos de la lluvia ácida. Coppins en 1978, demuestra que la disminución desde 1970, de la diversidad de especies de líquenes se vio notablemente afectada en los dos últimos siglos. Este estudio permitió esclarecer que los efectos (directos o indirectos) de los contaminantes atmosféricos sobre la biodiversidad, se entienden bajo distintos niveles de tolerancia entre las especies.
Figura 2. Bosque Waldsterben-Montañas Ore/Alemania (Fuente: http://www.atmosphere.mpg.de/enid/Introducci_n_al_Clima/- _Clima_en_las_ciudades_445.html)
A partir de las investigaciones relacionadas con estos y otros efectos aislados en relación a la lluvia ácida, se generó una importante controversia acerca de la manera de actuar de las deposiciones ácidas: a través del suelo, según B. Ulrich, (pedólogo especialista en suelos forestales) o a través de las hojas, según P Schütt. Para ambos casos, las “precipitaciones ácidas” se deben esencialmente al SO2 y sólo en segundo lugar al NO x. La puesta en marcha de un dispositivo de observación sistemática de los bosques confirmó rápidamente las afirmaciones acerca del cambio de pH de la lluvia por parte de los científicos. Se puso entonces en evidencia el agravamiento extremadamente rápido que estaba sufriendo el fenómeno: así, en BadenWutemberg, el 6% de los abetos estaba enfermo en 1981; en 1983, el porcentaje se incrementó hasta el 94%. En 1990, cerca de los 48 lagos de las montañas Adirondacks (Estado de Nueva York, Estados Unidos), mostraron que los daños debidos a las lluvias ácidas eran menos importantes de lo que se preveía en un principio; en parte, porque siete de los 48 lagos analizados estaban ya acidificados desde la época preindustrial a causa de fenómenos naturales. Sin embargo en la actualidad se ha hecho notable el incremento de contaminantes sulfatados en el ecosistema.
Figura 3. Niveles de Algunos contaminantes precursores de la lluvia ácida están aumentado en los Adirondacks el Estado de Nueva York, a pesar de las leyes de Protección del Aire en estados Unidos.
Las medidas de control de las últimas décadas (esto en cuanto al seguimiento y monitoreo del fenómeno), han permitido una disminución de los efectos de la lluvia ácida. Conceptos como el generado por Nillson en 1986: “Descarga crítica” propusieron la protección de ecosistemas a largo plazo, aspecto de prevención que se viene utilizando solamente hasta la actualidad. Este concepto propone medidas tendientes a la prevención de los efectos de la lluvia ácida cuando el impacto no pudiera compensarse por procesos naturales. Mientras que estos conceptos fueron tenidos en cuenta en el siglo XX, los efectos de la lluvia ácida afectaron gravemente suelos y cuerpos de agua. En la actualidad, se vienen liderando programas para el monitoreo regional o local de la lluvia ácida. Entre los principales programas encontrados, están el de Europa, Norteamérica y el Nordeste de Asia, regiones que han dedicado esfuerzos importantes en la modelación del comportamiento del fenómeno, lo cual ha permitido la caracterización o simplemente establecer los lugares de origen de la contaminación transfrontera.
Efectos de la Lluvia Ácida Los antecedentes descritos sobre la acidificación del medio, han generado gran variedad de documentos, a partir de los cuales, se deduce que las consecuencias de la lluvia ácida, dependen generalmente de:
Los grados de control de la emisiónde contaminantes primarios; y sus procesos de combustión, Las transformaciones químicas desencadenadas; Las cargas básicas de contaminantes naturales y antrópicos; El grado de sensibilidad de microorganismos, plantas, animales, y sus relaciones ecosistémicas, y Las características del clima, la topografía y las superficies acuáticas o terrestres, que en conjunto, y en ausencia de contaminantes, determinan el comportamiento y presencia de distintas plantas y animales.
Cabe destacar que la escala de aparición de los efectos de la lluvia ácida tiene dos componentes: la local, denominada también microecológica, con efectos en el entorno de distintas fuentes de emisión y otra de escala regional o global, macroecológica, o la denominada contaminación transfrontera. Por otro lado, el Ciclo hidrológico desempeña un importante papel en el entendimiento de los efectos de la lluvia ácida en el medio, mas específicamente, en los ecosistemas. Como se observó en la problemática especificada anteriormente, la acción más importante de la lluvia ácida se evidencia en efectos específicos en los bosques. Otros efectos importantes mencionados lo representan la acidificación de las aguas (arriesgando el equilibrio de los ecosistemas acuáticos) y de suelos y aguas subterráneas por procesos de lixiviación y percolación. Un efecto directo de la lluvia ácida sobre los bosques, particularmente sobre los suelos y cuerpos de
agua, se evidencia en la activación de metales tóxicos, sobre todo, de aluminio y metales pesados. La presencia de agua con un pH bajo, unido a la existencia inactiva de estos metales y a la pérdida de los nutrientes de las plantas (como el potasio, el calcio y el magnesio), produce daños en las raíces que deterioran y hacen vulnerables a estos organismos. Algunos países desarrollados han registrado también problemas con los peces y animales acuáticos, además de daños potenciales a cultivos y el creciente deterioro de la infraestructura urbana. Es probable además, que la lluvia ácida penetrase en las reservas de aguas subterráneas, aumentando la solubilidad de los metales tóxicos y disminuyendo así, las fuentes de abastecimiento de agua potable. Los efectos específicos de la lluvia ácida a nivel de sistema suelo, agua, ecosistema terrestre, salud humana y construcciones se describen a continuación:
Acidificación del sistema suelo La capacidad buffer de los suelos ha comprobado que no es suficiente para contrarrestar la depositación de contaminantes. Muchos de los procesos naturales de los suelos se ven afectados, uno de ellos: la descomposición de material orgánico, que presenta una desaceleración en la actividad microbiana, provocando la lixiviación o lavado de los nutrientes y por ende, la disminución en su transformación. El proceso de acidificación del suelo incluye además, la formación de sulfatos, nitratos y cloruros, compuestos que se suman a los ya presentes, aumentando las probabilidades de que se movilicen cationes tóxicos como el aluminio (Al) y metales pesados. El nivel de tolerancia a estos agentes depende de los materiales alcalinos que el suelo posea o que sean adicionados. Según varias investigaciones, los suelos forestales, tienen una mayor protección debido a la cubierta arbórea que actúa como filtro. Sin embargo, varios autores coinciden en afirmar que los suelos forestales y los pastizales naturales están más amenazados que las zonas cultivadas debido a que estos no son sometidos a prácticas agrícolas como el encalado o procesos similares.
La acidificación de los sistemas acuáticos Al igual que en el proceso de acidificación el suelo, la acidificación de aguas continentales consiste en la disminución de su capacidad de neutralizar ácidos. Cuando la lluvia ácida es depositada, esta puede caer directamente a los cuerpos de agua o llegar a ellos a través del arrastre de la lluvia sobre el suelo o de su percolación. Este proceso causa la acidificación de arroyos, ríos, lagos y aguas subterráneas, alterando el equilibrio de los iones del agua y de nuevo, aumentando el contenido de aluminio y demás metales pesados provenientes de su movilización en lechos acuáticos. El ciclo hidrológico explica los efectos de la lluvia ácida, pero aún más, sobre cuerpos acuáticos. Las precipitaciones ácidas lavan los metales contenidos en el suelo o los sedimentos de las cuencas hidrográficas y van separando partículas de
materiales solubles, descargando estos metales en los lagos y demás cuerpos de agua. El efecto más importante de la lluvia ácida en los sistemas acuáticos es la afectación a las poblaciones de peces por intoxicación con metales tóxicos, lo que genera graves efectos en las cadenas tróficas con consecuencias en la economía pesquera y problemas de salud ocasionados por la magnificación (acumulación de de toxinas en los organismos con el aumento de los niveles tróficos). El consumo de peces con una mayor concentración de metales en su carne y la reducción de ciertos grupos de zooplancton, algas y plantas acuáticas, trastornan la cadena alimenticia de los lagos y potencialmente causa desequilibrios ecológicos y epidemiológicos, estos últimos evidenciados para la población humana.
La acidificación de los ecosistemas terrestres La lluvia ácida puede ocasionar daños en las plantas recién nacidas y ha evidenciado el aumento en la vulnerabilidad de los árboles ante enfermedades y organismos parasitantes como insectos y hongos. El problema en las plantas más relevante, es el reemplazo del calcio por aluminio intercambiable, lo que ha producido graves sequías. Algunos efectos sobre plantas y organismos vegetales afectan directamente el equilibrio ecosistémico. Entre los efectos específicos se encuentran la corrosión de la capa grasa protectora de las hojas, además, del ataque a las membranas constituyentes de la estructura interna del árbol.
a) (Fuente: http://water.usgs.gov/gotita/acidrain.html)
b)(Fuente: http://www.fao.org/docrep/q2570s/q2570s02.htm)
Figura 4. Daño Ocasionado por la lluvia ácida: (a) en Alaska Poremba, Polonia y (b) en un bosque canadiense de maderas duras.
La sensibilidad de diferentes especies frente a los contaminantes atmosféricos, varía de acuerdo con la superficie de las hojas y la caducidad de las mismas. Las especies de plantas menores que se ven más afectadas son los líquenes y los musgos, ya que toman directamente el agua a través de sus hojas. Los pájaros pequeños que viven cerca de aguas acidificadas se ven afectados en su reproducción, los huevos de varias especies de pájaros aparecen con paredes muy delgadas debido al aluminio ingerido a través de insectos que se desarrollan en aguas acidificadas. Los animales herbívoros se ven afectados ya que al
acidificarse los suelos, las plantas que aquellos ingieren, acumulan una mayor cantidad de metales pesados y aluminio.
La lluvia ácida y la salud humana Entre los efectos directos de la lluvia ácida sobre la salud humana, se encuentran afecciones a los ojos y la piel y la pérdida del cabello. Por otro lado, se cree que la acidificación de las aguas subterráneas puede afectar el abastecimiento de agua potable, ya que se conoce el efecto negativo de metales tóxicos como el aluminio y el cadmio que se libera bajo condiciones de pH inferiores a 5, aunque se han encontrado casos altos de niveles de plomo, zinc y cadmio aún a pH superiores (entre 5.2 y 6.4).
Efectos en construcciones, materiales y pinturas Las estatuas y los monumentos de piedra sufren erosión, los materiales de construcción como acero, pintura, plásticos y cemento, mampostería, acero galvanizado, piedra caliza, piedra arenizca y mármol también están expuestos a sufrir daños. Se acepta que el principal agente corrosivo individual de los materiales de construcción es el dióxido de azufre y sus productos secundarios. Las piedras arenisca y caliza se han utilizado con frecuencia como materiales para monumentos y esculturas.
Figura 5: Daños por la lluvia ácida. Estatua de arenisca del año 1702 fotografiada en 1908 (izquierda) y en 1969 (derecha)
Monitoreo y Seguimiento de la Lluvia Ácida El Nordeste de Asia se convierte en una región en donde se han desarrollado importantes avances en el seguimiento de los procesos que originan la lluvia ácida y sobre los efectos causados. Entre las medidas para el remedio y control de los efectos de la lluvia ácida a corto y largo plazo, se encuentran la adición de sustancias para aumentar el pH de los suelos y las fuentes de agua y procedimientos más complejos como la reducción de las emisiones. Para el control de este problema, es muy importante el monitoreo, que permite el seguimiento y control de la química de la precipitación.
El monitoreo de la precipitación ácida se refiere al proceso de recolección de muestras para análisis químico. Estos procedimientos promueven el seguimiento del comportamiento químico de la precipitación atmosférica en sitios estratégicos para el control de la contaminación y de la acidificación en el medio.
Monitoreo a Escala global de la Problemática en Torno a la Lluvia Ácida La Organización Meteorológica Mundial-OMM , a través del Programa para la Vigilancia Global-VAG (Global Atmospheric Watch-GAW, por sus siglas en inglés) se ha encargado del seguimiento a escala global de los problemas relacionados con el cambio químico de la atmósfera terrestre. El Programa VAG ha desarrollado entonces, programas para el seguimiento a largo plazo de asuntos como la radiación, el ozono, la química de la precipitación (lluvia ácida), aerosoles y gases de efecto invernadero (GEI). En cuanto al seguimiento de estos asuntos, se han instalado sitios en distintos puntos del planeta para el monitoreo con estrictos procedimientos de toma, manejo y análisis químico de las muestras recolectadas. La Figura 1 corresponde a la ubicación a nivel global, de sitios para el monitoreo y seguimiento de la química atmosférica.
Figura 1. Estaciones del VAG activas hasta el año 2004. (Fuente: http://www.wmo.ch/web/arep/gaw/gaw_home.html)
En el ámbito internacional, Europa, Norteamérica y Asia se constituyen como las regiones donde se han registrado y estudiado los mayores efectos de la lluvia ácida sobre los ecosistemas y la infraestructura. A nivel científico, se han desarrollado mecanismos para el seguimiento de estos efectos. Uno de los más utilizados es el monitoreo a nivel regional de la lluvia ácida, el cual contribuye en algunas veces, al seguimiento a nivel global del problema. Los programas existentes a nivel regional son:
Región País
Entidad
Programas
Sitio Web
Norteamérica Environment Canadá Canada
The Canadian Air and Precipitation http://www.msc.ec.gc.ca/capmon/index_e.cfm Monitoring Network (CAPMoN) Clean Air Status and Trends http://www.epa.gov/castnet/ Estados EPA Network (CASTNet) Unidos (Environmental http://nadp.sws.uiuc.edu/ Protection Agency) National Atmospheric Deposition NTN (National Program (NADP) http://www.usgs.gov/science/science.php?term=6 Trends Network) Atmospheric Deposition Program of USGS the U.S. Geological Survey (United States http://www.sma.df.gob.mx/simat/pnredda2.htm Ciudad de Geological Survey México Red de Depósito AtmosféricoSecretaría del Medio REDDA Ambiente de la Ciudad de México ADORC (Acid Acid Deposition Monitoring Network http://www.eanet.cc/ Nordeste de Deposition and in East Asia (EANET) Asia Oxidant Research Center) Europa Convention on Long- Convention on Long range http://www.emep.int/ range Transboundary air pollution (EMEP) Transboundarand Air Pollution
En Colombia, a pesar de que no se han evidenciado científicamente efectos importantes sobre los ecosistemas relacionados con la lluvia ácida, el IDEAM viene desarrollando actividades relacionadas con el monitoreo del comportamiento químico a largo plazo de la lluvia en diferentes ciudades del país desde el año 1997.
Parámetros Empleados para Caracterizar la Lluvia Ácida Entre los parámetros propuestos por estas regiones, y en lo publicado por la OMM para la estandarización de los procesos de monitoreo de química de la precipitación a nivel mundial, se encuentran: sulfatos SO 4-, nitratos NO 3-, Calcio Ca2+, potasio K +, y magnesio Mg 2+, además de otros parámetros como metales pesados y compuestos orgánicos volátiles, entre otros. De estos parámetros, los más representativos y por lo tanto los más utilizados, son el pH, la conductividad, los nitratos y los sulfatos, Calcio, potasio, y magnesio, de los cuales, los cuatro primeros son medidos en Colombia. A continuación se explica cada uno de ellos.
pH-Acidez: El pH es un término de uso general para expresar la magnitud de acidez o alcalinidad. Es una forma de expresar la concentración o actividad de iones hidrógeno en solución. Este indicador es representado a partir de la escala de pH, la cual se expresa en términos de logaritmos negativos de la concentración de hidrógeno. La representación de la escala de pH usualmente oscila entre 0 a 14, donde el valor correspondiente a 7, a 25°C, representa la neutralidad absoluta (Sawyer, 2000).
La acidez en el análisis químico de la lluvia, puede definirse como la capacidad de los ácidos de azufre, nitrógeno y cloro, entre otros, para neutralizar bases, reaccionar con iones hidroxilo, ceder protones, o como la medida del contenido total de estas sustancias. En aguas naturales la acidez es producida por el CO 2, por la presencia de iones H+ libres, por acidez mineral proveniente de ácidos fuertes como el sulfúrico, nítrico, clorhídrico, etc., y por la hidrolización de sales de ácido fuerte y base débil. El CO2 se encuentra disuelto en el agua lluvia como resultado de la disolución del CO2 atmosférico y se combina con el agua para formar ácido carbónico, disminuyendo el pH de la lluvia a 5,65.
Conductividad: La conductividad del agua es una expresión numérica de su habilidad para transportar una corriente eléctrica. Depende de la concentración total de sustancias disueltas ionizadas en el agua (principalmente ácidos) y de la temperatura a la cual se haga la determinación. Por ello, el valor de la conductividad es muy usado en análisis de aguas para obtener un estimativo rápido del contenido de sólidos disueltos. En un agua lluvia con características normales, el valor de la conductividad expresada en microsiemens por centímetro (μS/cm) debe tender a cero. En un agua lluvia con características ácidas son comunes valores por encima de los 20 μS/cm. Nitratos y Sulfatos: La presencia de nitratos y sulfatos en el agua lluvia, da un indicio de la intensidad del uso de combustibles por parte del transporte automotor y de las actividades industriales, destacándose las relacionadas con el sector agroindustrial, como son la quema de biomasa, y otras como la quema de sabanas para cultivos. En condiciones normales, la concentración de nitratos en aguas lluvias debe tender a cero. En aguas lluvias de carácter ácido son comunes valores del orden de 0,4 mg/l a 2,0 mg/l en nitratos y de 2,0 mg/l a 8,0 mg/l en sulfatos. Los Modelos de Predicción de Lluvia Ácida Los programas regionales de caracterización de química de la precipitación, promueven el modelamiento del transporte y depositación de la lluvia ácida. Los modelos más representativos han sido desarrollados por las tres regiones con mayores efectos por acidificación del medio y que al mismo tiempo, poseen las redes más desarrolladas a nivel internacional: Norteamérica, Europa y el Nordeste de Asia. Desde sus inicios, la evolución de estos modelos ha sido representativa en las investigaciones relacionadas con el comportamiento de la lluvia ácida. La modelización en América del Norte produjo modelos muy completos en los que estaban incluidas, la química y la física del transporte y depósito de la lluvia ácida (OMM, 1990). El modelo regional de depósitos ácidos (MRDA) fue desarrollado en los Estados Unidos por el Programa Nacional para el seguimiento de la
Precipitación Ácida (The National Acid Precipitation Assessment Program-NAPAP) que está comprendido por una grilla dimensional capaz de simular procesos químicos y físicos que permiten la formación y depositación de las especies ácidas. El desarrollo del Modelo se inició en 1983 , pero su aplicabilidad se dio hasta 1990. El modelo proporcionó importantes avances acerca de las relaciones fuente-receptor del problema de la depositación ácida en Estados Unidos. En Europa, el método de modelización, tuvo que ser más pragmático debido a que la demanda de estimaciones cuantitativas de contaminación transfronteriza era muy grande, sacrificando la complejidad y exhaustividad de los resultados. La última versión del modelo europeo es bastante avanzada con resultados muy próximos a la realidad. El modelo europeo es el denominado Lagrangiano de Depositación Ácida de la EMEP (The EMEP Lagrangian Acid Deposition ModelLADM) con una resolución espacial de 150x150 km y es utilizado para simular el transporte atmosférico y la depositación de componentes de nitrógeno y sulfuro provenientes de la atmósfera. Desde 1985, el modelo ha servido para calcular concentraciones y depositaciones de compuestos acidificantes en Europa, como también flujos transfrontera, resultados que han sido comparados con las mediciones utilizadas por la red de monitoreo de la EMEP. Los modelos de lluvia ácida propuestos en el Nordeste de Asia se constituyen en los que se acercan a una mayor aproximación a la realidad, y se aplican como “Un área de importancia ambiental para los investigadores” ya que estas herramientas han sido desarrollados para entender el transporte y depositación de azufre en esta región. Estos modelos ayudan a entender el impacto de las emisiones actuales y de la depositación de azufre en Asia y anticipan la afectación producida al ambiente de la región en el futuro. Según varios autores, a partir del Modelo RAINS-Asia se desarrollan relaciones entre fuentes de azufre y las características de la depositación. El Propósito de este modelo según Streets (1999) es determinar las causas y consecuencias de la depositación ácida en Asia, incluyendo el crecimiento poblacional, el desarrollo económico, el uso energético, las emisiones, el transporte atmosférico, la depositación y los efectos en los sistemas ecológicos sensibles y otros sistemas receptores. En cuanto a la aplicabilidad del modelo con respecto a los sistemas de monitoreo, la intercomparaciones realizadas entre los modelos de predicción del comportamiento de la lluvia ácida y estos sistemas, han servido para retroalimentarse mutuamente: los sistemas de monitoreo, para la validación de los modelos de lluvia ácida y la modelación de calidad del aire o el transporte a larga distancia de los contaminantes para determinar sitios que deban ser monitoreados.
El Programa Nacional de Caracterización de Agua Lluvia Antecedentes de la Red de Monitoreo de Agua Lluvia en Colombia
El IDEAM es el Instituto representante de la OMM en Colombia, por lo tanto, se ha encargado desde el año 1998 de manejar el sistema de monitoreo de lluvia ácida en el país. A lo largo de la puesta en marcha del programa, se han intentado seguir los preceptos de la Organización, enfrentando limitaciones financieras y logísticas para conseguirlo. A pesar de estas limitaciones, el monitoreo de la lluvia ácida ha sido utilizado como un indicador de la incidencia de actividades antrópicas sobre la calidad del aire. Entre los principales inconvenientes para el desarrollo óptimo del programa, se encuentra la ubicación de sitios y equipos adecuados para el monitoreo, esto teniendo en cuenta, las difíciles condiciones del territorio y la topografía colombianos y los limitados recursos con los que se cuenta. En el país existen 32 sitios de monitoreo distribuidos entre los aeropuertos de distintas ciudades y Sedes de Áreas Operativas del IDEAM.
Tabla 1: Estaciones del IDEAM que reportan parámetros de caracterización de las aguas lluvias Ciudad Sitio
Riohacha Barranquilla Soledad Santa Martha Carepa Medellín
Apto, Almirante Padilla Sede IDEAM Apto. E. Cortizzos Sede IDEAM Apto. Los Cedros Sede IDEAM Apto Olaya Herrera Rionegro Apto, José María Córdoba Cúcuta Apto, Camilo Daza Barrancabermeja Apto yariguíes Bucaramanga Sede IDEAM Lebrija Apto. Palonegro Duitama Sede IDEAM Armenia Apto, El Edén Pereira Apto, Matecaña Neiva Apto. Benito Salas Sede IDEAM Ibagué Sede IDEAM Interlaken Bogotá Laboratorio (Fontibón) Américas Villavicencio Apiay Unillanos Cantarrana Apto. Vanguardia Pto Carreño Apto. Pto. Carreño Cali Sede IDEAM
Palmira Pasto
Apto. Bonilla Aragón Sede IDEAM Apto Antonio Nariño Ipiales Apto, San Luis Leticia Apto, Vásquez Cobo De estos sitios, solamente 5 se constituyen como los más representativos y confiables durante el periodo 2001-2006. Para obtener la información sobre los sitios, en el sistema de monitoreo se distinguen básicamente dos tipos de Operaciones: Operaciones de Campo y Operaciones de laboratorio.
Operaciones de campo El programa de monitoreo de la lluvia ácida existente contempla la toma de datos de pH y conductividad in-situ y la toma de muestras para análisis iónico de nitratos y sulfatos. El único sitio de recolección de muestras que cuenta con equipos avalados por la OMM, es el ubicado en Bogotá (Figura 1.a). Se espera la adquisición de recursos económicos para el reemplazo de los colectores utilizados en los demás sitios de monitoreo (Figura 1.b).
(a) Colector utilizado en El Jardín Meteorológico del Laboratorio de Calidad Ambiental (Bogotá).
(b) Colector de muestras de lluvia ubicados en Aeropuertos y Sedes de Áreas Operativas. Figura 1. Colectores utilizados en Colombia para la medición de pH y conductividad y la recolección de muestras para análisis en laboratorio.
Además de la toma de muestras para análisis en laboratorio, los datos de pH y conductividad se pueden tomar in-situ a través de sensores portátiles marca METTLER TOLEDO, MODELO MP120.
Figura 2. Sensor portátil de pH y conductividad. Operaciones de laboratorio
Cuando las muestras están listas, estas son recogidas y llevadas al Laboratorio de Calidad Ambiental del IDEAM, en donde son analizadas químicamente. Las muestras y en general los procesos llevados a cabo desde la recolección y el análisis químico, hasta el registro y almacenamiento de datos, sufren un continuo proceso de control de calidad. Todos los procedimientos realizados en el laboratorio están basados en la Norma Técnica Colombiana NTC ISO 17025, que se aplica a los laboratorios ambientales de las entidades componentes del Sistema Nacional Ambiental (SINA)
El Comportamiento de la Lluvia Ácida en Colombia El comportamiento de las características químicas del agua lluvia se determina a partir del seguimiento del pH, conductividad, nitratos y sulfatos producto del análisis químico de las muestras recolectadas en los sitios de monitoreo del IDEAM en las principales ciudades del país y en algunas ciudades intermedias (Ver Tabla 1). Los sitios analizados fueron escogidos teniendo en cuenta la representatividad y confiabilidad de los datos. Para cada sitio se muestran las gráficas correspondientes al pH y la conductividad y no se muestran las de nitratos y sulfatos ya que la conductividad representa el comportamiento de estos dos indicadores. Por otro lado, la conductividad al ser un indicador significativo del contenido de nitratos y sulfatos, resulta ser contrario al comportamiento del pH. De esta manera, a medida que la conductividad aumenta (el contenido de nitratos y sulfatos) el pH disminuye.
Barranquilla A pesar de las actividades económicas e industriales de la ciudad, las cuales aumentan la probabilidad de acidificación de la atmósfera, Barranquilla se encuentra influenciada por la brisa del Mar Caribe, efecto que puede neutralizar
cualquier proceso de acidificación en el medio. Además, posee características climáticas secas en los primeros meses del año (que se evidencian en el Noregistro de datos). La conductividad resultó ser un representativo indicador del contenido de Nitratos y Sulfatos de la lluvia en Barranquilla (Gráfica 1 y 2), mostrando una notable disminución durante la serie. La conductividad tuvo valores en los dos primeros años, entre 20 y 80 uS/cm, los cuales tienen una considerable disminución a lo largo de la serie; alcanzando valores entre 20 y 40 uS/cm para el periodo comprendido entre 2003 y 2006, valores que corresponden directamente al contenido de nitratos y sulfatos. Por otro lado, los valores de pH mantienen un comportamiento con una preponderancia de valores por encima de 5.6, demostrando una notable disminución generalmente entre septiembre y noviembre de todos los años. Los valores de pH, generalmente por encima del rango normal, indican que no ha existido acidificación de la lluvia, situación que generada muy probablemente por el efecto que la brisa marina ejerce sobre la ciudad. Este fenómeno se debe específicamente a la evaporación del agua de mar la cual, al reaccionar en la atmósfera con las sustancias productoras de lluvia ácida, ejerce una función neutralizadora.
Gráfica 1: Conductividad (azul) y pH (verde) de la Lluvia en Barranquilla. La línea amarilla representa el pH normal de la lluvia (5,65).
Gráfica 2: Contenido de Sulfatos (Naranja) y Nitratos (Fucsia) de la lluvia en Barranquilla y la Conductividad (azul) y el pH (verde).
Medellín En su mayor parte, Medellín se encuentra influenciada por terrenos montañosos y por un clima templado con precipitaciones significativas durante el año. La principal actividad económica de la región son los servicios, entre ellos el comercio, con una influencia importante del sector industrial, que se encuentra principalmente ubicado en el Valle de Aburrá y el altiplano de Rionegro, lugares representativos para el monitoreo de la química de la precipitación, esto a pesar de que el relieve montañoso es un factor contraproducente para dicha actividad, según lo establecido por la OMM. La conductividad de las muestras recolectadas en la ciudad, presenta valores por encima de 20 uS/cm, los cuales indican un importante contenido de iones disueltos en la muestra, presentándose los valores más altos en los dos periodos típicos de lluvia durante el año (abril-mayo y octubre-noviembre), los cuales corresponden tambien al contenido de nitrato (Gráfica 3). La Serie 2004-2006 presenta un pH fluctuante entre la normalidad de la acidez de la lluvia, sin embargo se presentan los valores de acidez más altos en los periodos de lluvia (este comportamiento es más notorio en el primer año de la serie).
Gráfica 3: Conductividad y pH de la Lluvia y el pH y Contenido de Nitratos de la lluvia en Medellín. La línea amarilla representa el pH normal de la lluvia (5,65).
Ibagué Ibagué es la capital del departamento del Tolima, posee un clima de transición entre templado y cálido. El departamento se encuentra ubicado al centro-occidente del país entre las Cordilleras Central y Oriental, localización restringida para el monitoreo regional de la química de la precipitación propuesto por la OMM, pero de gran importancia para el monitoreo local del país. La ciudad se encuentra influenciada por un relieve fuertemente quebrado, ya que se encuentra ubicado sobre la Cordillera Central. La conductividad demuestra una disminución considerable de sus valores al final de la serie, esto en comparación a los primeros años, los cuales tienen valores muy por encima de 20 uS/cm. El valor más alto de la conductividad coincide con los valores más altos de nitratos y al mismo tiempo, con el valor más bajo de pH, el cual alcanza valores cercanos a 4,5. A pesar de estos valores particulares y de otra disminución menor en los valores de pH a mediados de 2005, el comportamiento del pH de la lluvia se mantiene fluctuante entre valores superiores y cercanos al pH normal de la lluvia.
Gráfica 4: Conductividad, pH y Nitratos de la Lluvia en Ibagué La línea amarilla representa el pH normal de la lluvia (5,65).
Bogotá Bogotá, se encuentra ubicada en el extremo suroriental de la sabana del altiplano cundiboyasense, de clima frío y sobre suelos fértiles y relieves planos. Bogotá se constituye como el primer centro urbano, político y económico del país. La producción industrial representa alrededor de la cuarta parte del total nacional. Por otro lado, la infraestructura vial representa la más densa del país. Debido a las características anteriormente descritas, la influencia de la contaminación en la capital del país, le confiere una tendencia a que se produzca lluvia ácida. La conductividad, se comporta muy similarmente al contenido de nitratos (Gráfica 5) en las muestras analizadas para la ciudad, presentando una notoria disminución a lo largo del periodo, con valores entre 20 y 60 uS/cm, en los primeros 2 años de la serie, para continuar con una paulatina disminución en los últimos años, con valores entre 5 y 20 uS/cm.
Gráfica 5: La conductividad, el pH y los Nitratos de la lluvia en Bogotá. La línea amarilla representa el pH normal de la lluvia (5,65).
El pH por su parte, presenta un comportamiento que se mantiene relativamente constante a lo largo de la serie, presentado valores fluctuantes por encima y por debajo del pH normal de la lluvia, indicando una mayor preponderancia de lluvia con carácter ácido. Por otro lado, parece existir una notoria relación entre el régimen de precipitación para la ciudad y los valores más bajos de pH, que se presentan en los meses más lluviosos (abril-mayo y octubre-noviembre) lo que lleva a determinar que gran parte de los óxidos de azufre y nitrógeno son lavados constantemente durante las precipitaciones, disminuyendo así el pH.
Cali Cali se encuentra ubicada hacia el occidente del país, sobre el territorio correspondiente al valle de dicho Río Cauca, más exactamente al suroccidente colombiano entre la Cordillera Central y el Océano Pacífico, con una topografía caracterizada principalmente por terrenos planos rodeados por la cordillera occidental. La economía del departamento depende principalmente de los servicios y la industria, además de actividades agropecuarias, las cuales en
conjunto, aumentan la probabilidad de que se desarrolle el fenómeno lluvia ácida en la región. Las características físicas de la región influenciada por esta ciudad, unidas a las actividades económicas, le confieren al sitio de monitoreo de la química de la precipitación una importancia estratégica. Los valores de conductividad tienen una gran relación con los nitratos y sulfatos, pero principalmente con el aumento del contenido de sulfatos, que correlacionado con el pH, evidencia la disminución considerable de la acidez de la lluvia durante la serie. Los valores de la conductividad en algunos meses de los dos primeros años, presentan valores por encima de los 100 uS/cm, los cuales empiezan a tener un comportamiento con valores más bajos y por lo tanto más cercanos a lo esperado, el cual es constante durante los últimos años de muestreo.
Gráfica 6: Conductividad y pH de la Lluvia en Cali La línea amarilla representa el pH normal de la lluvia (5,65).
El pH muestra valores que corresponden a la acidez de la lluvia reiterando así la presencia de lluvia ácida en la ciudad. Como se dijo anteriormente, los sulfatos son los valores que indican mejor representatividad de la realidad, ya que a medida que su contenido aumenta, disminuye el pH de las muestra entre 2002 y 2005.
Gráfica 7: Contenido de Sulfatos (Naranja) y Nitratos (Fucsia) de la lluvia en Cali y la Conductividad (azul) y el pH (verde).
Neiva La ciudad de Neiva cuenta con un clima cálido-seco. Ubicada en el Departamento de Huila, que posee la mayor parte de la cuenca del Río Magdalena, de topografía plana a ondulada, se constituye como una importante región para el monitoreo de la química de la precipitación. Sin embargo, la región de influencia de la ciudad, posee una economía principalmente sustentada en los servicios y las actividades agropecuarias, razón por la cual, la preponderancia de contaminantes precursores de lluvia ácida no es muy significativa. En cuanto a los niveles de pH y conductividad, estos parecen tener un comportamiento relativamente constante entre 2001 y octubre de 2004 (ver Grafica 8). El periodo siguiente, que corresponde a octubre de 2004 y abril de 2006 es un periodo en donde se nota una clara relación entre la disminución del pH y el aumento de la conductividad, relación que parece ser la más clara de la serie; el periodo siguiente, muestra un comportamiento contrario, bien diferente al esperado, ya que el aumento de la conductividad no refleja una disminución del pH.
Gráfica 8: Conductividad y pH de la Lluvia en Neiva
Los niveles de pH por encima de 5,6 durante la mayor parte de la serie, unida a la baja probabilidad de influencia de óxidos de azufre y nitrógeno en Neiva, demuestran que en el sitio de muestreo (a excepción de un periodo) no fueron recolectadas muestras de lluvia ácida, por lo que se puede decir que la ciudad no está siendo afectada por el fenómeno. Sin embargo, los niveles de conductividad están por encima de los 20 µS/cm, con picos muy altos durante 2001 y mediados de 2004. Además, la reducción importante del pH y el aumento de la conductividad durante finales de 2004 y el primer semestre de 2005, muestran una mayor probabilidad de acidificación de la lluvia en este periodo, situación que conlleva a pensar en errores en los datos de los demás periodos o en una mayor influencia de la contaminación durante el mismo.
Barrancabermeja Barrancabermeja es una ciudad ubicada sobre la llanura del río Magdalena en el departamento de Santander, está asentada sobre un relieve plano a suavemente ondulado y con un clima cálido y húmedo. La ciudad posee la principal industria de refinería de petróleo y de fabricación de muchos de sus derivados en el país, razón por la que además, cuenta con una red vial importante. Los aspectos locales mencionados tienen influencia en el grado de contaminación atmosférica, que unida a las condiciones geográficas y climáticas, le confieren a la ciudad y sus alrededores, características especiales para convertirse en un lugar estratégico para el monitoreo de la química de la precipitación en Colombia. Sin embargo, y a pesar de la importancia de esta ciudad, se tiene registro de datos sólo en el periodo 2001-2003; de igual manera, no existen datos de nitratos y sulfatos, de los cuales estos últimos, podrían ser un indicador muy representativo de las emisiones generadas por la refinería. La correlación pH-conductividad encontrada para la ciudad, demuestra un comportamiento cercano al esperado, con dos picos anormales de la conductividad. Estos dos valores son considerablemente importantes y se presentan entre marzo y noviembre de 2002 (ver Gráfica 9). Con un comportamiento fluctuante de la conductividad, unido al aumento paulatino durante la serie, este parámetro se ve reflejado de una manera directa con el pH, esto si se tiene en cuenta el comportamiento inverso entre el pH y la conductividad. De igual manera, se puede observar que los datos de pH tienden a la acidez. El pH tiene un comportamiento relativamente fluctuante entre los rangos normales y de acidez de la lluvia, a excepción del primer y último periodo de muestreo, correspondientes a mayo y junio de 2001 y mayo y septiembre de 2003, con valores por encima de los valores intermedios. El comportamiento del pH no presenta aumentos considerables durante el periodo.
Gráfica 9: Conductividad y pH de la lluvia en Barrancabermeja; 2001 2003.
GLOSARIO Aerosoles: Constituyen una amplia gama de contaminantes formados por polvo grueso (mayor de 100 mm), polvo fino (menor de 100 mm de diámetro), vapores (0,001-1 mm) y neblinas (0,1-10 mm). Atmósfera: Componente vital del ambiente humano, que transmite y altera la energía solar que controla el clima; actúa como escudo protector contra los impactos de meteoritos y la radiación penetrante sustenta las diversas actividades bióticas. Cinética de reacción de una sustancia: Velocidad o rapidez con la que ocurren las reacciones químicas de una sustancia Contaminación, Contaminante: Cualquier especie ajena a la composición del medio en el que se genera. Se refiere a aquellos agentes que por su composición química pueden conducir a cualquier tipo de daño en el medio. Control de Calidad: Sistema compuesto por un sinnúmero de actividades cuyo propósito es medir y controlar un producto o servicio que reúna las necesidades de los usuarios El objetivo es proveer calidad que sea satisfactoria, adecuada, dependiente y económica del material de referencia Depositación Húmeda o seca: Es la masa o el material depositado desde la atmósfera a una determinada superficie en forma húmeda o seca por unidad de área. Catalizador: Agente químico que actúa como iniciador o acelerador de las reacciones
