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Partículas

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Partículas también conocido como material particulado (PM), aerosoles, o partículas finas, Son pequeñas partículas de sólido o líquido suspendidas en un gas. Su tamaño varía de menos de 10 nanómetros a más de 100 micrómetros de diámetro. El campo de la ciencia y la tecnología de los aerosoles ha crecido en respuesta a la necesidad de comprender y controlar los aerosoles en la atmósfera.

Algunas partículas se producen de forma natural, provenientes de volcanes, tormentas de polvo, incendios forestales y de pastizales, vegetación viva y rocío marino. Las actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles, también generan aerosoles. Promediado en todo el mundo, antropogénico Los aerosoles (aquellos producidos por actividades humanas) representan actualmente alrededor del 10 por ciento de la cantidad total de aerosoles en la atmósfera.

Los efectos de inhalar partículas han sido ampliamente estudiados. Mientras que las partículas relativamente grandes se filtran en la nariz y la garganta, las partículas más pequeñas que aproximadamente 10 micrómetros se depositan en las cavidades bronquiales y los pulmones, lo que lleva a problemas de salud como asma, cáncer de pulmón, problemas cardiovasculares y muerte prematura. También parece que las partículas de menos de 100 nanómetros pueden pasar a través de las membranas celulares, y algunas de ellas pueden migrar al cerebro. Ahora se están tomando medidas para controlar la cantidad de aerosoles antropogénicos que ingresan a la atmósfera.

Notación

La notación PM10 se usa para describir partículas de 10 micrómetros o menos, y PM2.5 representa partículas de menos de 2.5 micrómetros de diámetro aerodinámico; También se pueden utilizar otros valores numéricos. Este rango de tamaños representa escalas desde un conjunto de algunas moléculas hasta el tamaño donde las partículas ya no pueden ser transportadas por el gas.

Fuentes

Contaminación por aerosoles en el norte de India y Bangladesh - Foto: NASA.

Existen fuentes tanto naturales como humanas de partículas atmosféricas. Las mayores fuentes naturales son el polvo, los volcanes y los incendios forestales. El rocío marino también es una gran fuente de partículas, aunque la mayoría de ellas vuelven al océano cerca de donde fueron emitidas. Las mayores fuentes humanas de partículas son las fuentes de combustión, principalmente la quema de combustibles en motores de combustión interna en automóviles y plantas de energía, y el polvo arrastrado por el viento de los sitios de construcción y otras áreas de tierra donde se ha eliminado el agua o la vegetación. Algunas de estas partículas se emiten directamente a la atmósfera. (emisiones primarias) y algunos se emiten como gases y forman partículas en la atmósfera (emisiones secundarias).

En Europa y los Estados Unidos, se espera que las emisiones de partículas de los vehículos disminuyan en la próxima década. Por ejemplo, para 2005, la Unión Europea introducirá estándares más estrictos para las emisiones de partículas de vehículos livianos de 0.025 gramos por kilómetro 0.04 gramos por milla. El estado de California está implementando un estándar aún más restrictivo en 2004, permitiendo solo 0.006 gramos por kilómetro 0.01 gramos por milla de emisiones de partículas. Incluso si el estándar de California se introdujera en todo el mundo, dice Jacobson, los automóviles diesel aún pueden calentar el clima más que los automóviles de gasolina durante 13 a 54 años. Algunos fabricantes europeos de automóviles introducen nuevas trampas de partículas en sus automóviles diesel que parecen reducir las emisiones de carbono negro a 0.003 gramos por kilómetro 0.005 gramos por milla, incluso por debajo del estándar de California.1

BlueTec es una tecnología desarrollada para reducir las emisiones de partículas de los motores diesel con el fin de cumplir con los estrictos estándares de California.

Composición

La composición de las partículas de aerosol depende de su fuente. Polvo mineral arrastrado por el viento2 tiende a estar hecho de óxidos minerales y otros materiales expulsados ​​de la corteza terrestre. Este aerosol es absorbente de luz. Sal marina3 se considera el segundo mayor contribuyente en el presupuesto global de aerosoles, y consiste principalmente en cloruro de sodio procedente de la pulverización marina. Otros componentes de la sal marina atmosférica reflejan la composición del agua marina y, por lo tanto, incluyen magnesio, sulfato, calcio, potasio y otros iones. Además, los aerosoles de aerosol marino pueden contener compuestos orgánicos, que influyen en su química. La sal marina no absorbe la luz.

Las partículas secundarias se derivan de la oxidación de gases primarios como los óxidos de azufre y nitrógeno en ácido sulfúrico (líquido) y ácido nítrico (gaseoso). Los precursores de estos aerosoles, es decir, los gases de los que se originan, pueden tener un origen antropogénico (de la combustión de combustibles fósiles) y un origen biogénico natural. En presencia de amoníaco, los aerosoles secundarios a menudo toman la forma de sales de amonio, como sulfato de amonio y nitrato de amonio (ambos pueden ser secos o en solución acuosa). En ausencia de amoníaco, los compuestos secundarios toman una forma ácida, como ácido sulfúrico (gotas de aerosol líquido) y ácido nítrico (gas atmosférico). Los aerosoles secundarios de sulfato y nitrato son dispersantes fuertes de dispersión de luz.4 Esto se debe principalmente a que la presencia de sulfato y nitrato hace que los aerosoles aumenten a un tamaño que dispersa la luz de manera efectiva.

La materia orgánica (MO) puede ser primaria o secundaria, la última parte derivada de la oxidación de los COV; El material orgánico en la atmósfera puede ser biogénico o antropogénico. La materia orgánica influye en el campo de radiación atmosférica tanto por dispersión como por absorción de luz.

Otro tipo de aerosol importante está constituido por carbono elemental (EC, también conocido como carbono negro ANTES DE CRISTO); Este tipo de aerosol incluye un material fuerte que absorbe la luz y se cree que produce un gran forzamiento radiativo positivo. La materia orgánica y el carbono elemental juntos constituyen la fracción carbonosa de los aerosoles.5

La composición química del aerosol afecta directamente cómo interactúa con la radiación solar. Los componentes químicos dentro del aerosol cambian el índice de refracción general. El índice de refracción determinará cuánta luz se dispersa y absorbe.

Procesos de eliminación

En general, cuanto más pequeña y ligera sea una partícula, más tiempo permanecerá en el aire. Las partículas más grandes (más de 10 micrómetros de diámetro) tienden a asentarse en el suelo por gravedad en cuestión de horas, mientras que las partículas más pequeñas (menos de 1 micrómetro) pueden permanecer en la atmósfera durante semanas y se eliminan principalmente por precipitación.

Forzamiento radiativo de aerosoles

Reducción de la radiación solar debido a erupciones volcánicas.

Los aerosoles, naturales y antropogénicos, pueden afectar el clima al cambiar la forma en que la radiación se transmite a través de la atmósfera. Las observaciones directas de los efectos de los aerosoles son bastante limitadas, por lo que cualquier intento de estimar su efecto global implica necesariamente el uso de modelos informáticos. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, IPCC, dice: "Si bien el forzamiento radiativo debido a los gases de efecto invernadero puede determinarse con un grado razonablemente alto de precisión ... las incertidumbres relacionadas con los forzamientos radiativos de aerosoles siguen siendo grandes y dependen en gran medida de las estimaciones de estudios de modelado global que son difíciles de verificar en la actualidad ".6

Se encuentra disponible un gráfico que muestra las contribuciones (en 2000, en relación con las preindustriales) y las incertidumbres de varios forzamientos.7

Aerosol de sulfato

El aerosol de sulfato tiene dos efectos principales, directo e indirecto. El efecto directo, a través del albedo, es enfriar el planeta: la mejor estimación del IPCC del forzamiento radiativo es -0.4 vatios por metro cuadrado con un rango de -0.2 a -0.8 W / m²,8 pero hay incertidumbres sustanciales. El efecto varía mucho geográficamente, y se cree que la mayoría de los sistemas de enfriamiento se encuentran a favor y en contra del viento de los principales centros industriales. Los modelos climáticos modernos que intentan lidiar con la atribución del cambio climático reciente deben incluir el forzamiento de sulfato, que parece explicar (al menos en parte) la ligera caída de la temperatura global a mediados del siglo XX. El efecto indirecto (a través del aerosol que actúa como núcleo de condensación de la nube, CCN y, por lo tanto, modifica las propiedades de la nube) es más incierto, pero se cree que tiene un efecto de enfriamiento.

Negro de carbono

El carbono negro (BC), o el negro de carbón, o el carbono elemental (EC), a menudo llamado hollín, está compuesto de racimos de carbono puro, bolas de esqueleto y bolas de bucky, y es una de las especies de aerosoles absorbentes más importantes en la atmósfera. Debe distinguirse del carbono orgánico (OC): moléculas orgánicas agrupadas o agregadas solas o que impregnan una bola de bucky EC. El IPCC estima que el BCCC de los combustibles fósiles en el Cuarto Informe de Evaluación del IPCC, TAR, contribuye con un forzamiento radiativo medio global de +0.2 W / m² (fue +0.1 W / m² en el Segundo Informe de Evaluación del IPCC, SAR ), con un rango de +0.1 a +0.4 W / m².

Todos los aerosoles absorben y dispersan la radiación solar y terrestre. Si una sustancia absorbe una cantidad significativa de radiación, además de dispersarse, la llamamos absorción. Esto se cuantifica en el Albedo de dispersión única (SSA), la relación de dispersión sola a dispersión más absorción (extinción) de radiación por una partícula. El SSA tiende a la unidad si predomina la dispersión, con relativamente poca absorción, y disminuye a medida que aumenta la absorción, convirtiéndose en cero para la absorción infinita. Por ejemplo, el aerosol de sal marina tiene un SSA de 1, ya que solo se dispersa una partícula de sal marina, mientras que el hollín tiene un SSA de 0.23, lo que demuestra que es un importante absorbente de aerosol atmosférico.

Efectos en la salud

Estación de medición de la contaminación del aire en Emden, Alemania

Los efectos de la inhalación de partículas han sido ampliamente estudiados en humanos y animales e incluyen asma, cáncer de pulmón, problemas cardiovasculares y muerte prematura. El tamaño de la partícula es un determinante principal de dónde en el tracto respiratorio la partícula descansará cuando se inhala. Las partículas más grandes generalmente se filtran en la nariz y la garganta y no causan problemas, pero las partículas más pequeñas que aproximadamente 10 micrómetros, denominadas PM10, puede asentarse en los bronquios y los pulmones y causar problemas de salud. El tamaño de 10 micrómetros no representa un límite estricto entre partículas respirables y no respirables, pero la mayoría de las agencias reguladoras han acordado el monitoreo de partículas en el aire. Del mismo modo, partículas más pequeñas que 2.5 micrómetros, PM2.5, tienden a penetrar en las regiones de intercambio de gases del pulmón, y partículas muy pequeñas (menos de 100 nanómetros) pueden pasar a través de los pulmones para afectar a otros órganos. En particular, un estudio publicado en el Revista de la Asociación Médica Americana indica que PM2.5 conduce a depósitos elevados de placa en las arterias, causando inflamación vascular y aterosclerosis, un endurecimiento de las arterias que reduce la elasticidad, lo que puede provocar ataques cardíacos y otros problemas cardiovasculares.9 Los investigadores sugieren que incluso la exposición a corto plazo a concentraciones elevadas podría contribuir significativamente a la enfermedad cardíaca.

También hay evidencia de que partículas menores de 100 nanómetros pueden pasar a través de las membranas celulares. Por ejemplo, las partículas pueden migrar al cerebro. Se ha sugerido que las partículas pueden causar daños cerebrales similares a los encontrados en pacientes con Alzheimer. Las partículas emitidas por los motores diesel modernos (comúnmente conocidos como materia de partículas diesel, o DPM) están típicamente en el rango de tamaño de 100 nanómetros (0.1 micrómetros). Además, estas partículas de hollín también llevan componentes cancerígenos como los benzopirenos adsorbidos en su superficie. Cada vez es más claro que los límites legislativos para los motores, que están en términos de masa emitida, no son una medida adecuada del peligro para la salud. Una partícula de 10 µm de diámetro tiene aproximadamente la misma masa que 1 millón de partículas de 100 nm de diámetro, pero es claramente mucho menos peligrosa, ya que probablemente nunca ingresa al cuerpo humano, y si lo hace, se elimina rápidamente. Existen propuestas para nuevas regulaciones en algunos países, con sugerencias para limitar el área de superficie de partículas o el número de partículas.

La gran cantidad de muertes y otros problemas de salud asociados con la contaminación por partículas se demostró por primera vez a principios de la década de 1970.10 y ha sido reproducido muchas veces desde entonces. Se estima que la contaminación por PM ocasiona 22,000-52,000 muertes por año en los Estados Unidos (desde 2000).11 y 200,000 muertes por año en Europa).

Regulación

Debido a los efectos de las partículas en la salud, varios gobiernos han establecido estándares máximos. Muchas áreas urbanas en los EE. UU. Y Europa aún superan los estándares de partículas, aunque el aire urbano en estos continentes se ha vuelto más limpio, en promedio, con respecto a las partículas durante el último cuarto del siglo XX.

Estados Unidos

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) establece estándares para PM10 y PM2.5 concentraciones en el aire urbano. (Consulte las Normas nacionales de calidad del aire ambiente). La EPA regula las emisiones de partículas primarias y los precursores de las emisiones secundarias (NOx, azufre y amoníaco).

Legislación de la UE

En las directivas 1999/30 / EC y 96/62 / EC, la Comisión Europea ha establecido límites para PM10 en el aire:

Fase 1

desde el 1 de enero de 2005

Fase 2¹

a partir del 1 de enero de 2010

Promedio anual40 µg / m³20 µg / m³
Promedio diario (24 horas)

número permitido de excedencias por año

50 µg / m³

35

50 µg / m³

7

¹ valor indicativo.

Zonas afectadas

Ciudades mundiales más contaminadas por PM12
Materia particular,
μg / m3 (2004)
Ciudad
169El Cairo, Egipto
161Beijing, China
150Delhi, India
128Calcuta, India (Calcuta)
125Taiyuan, China
123Chongqing, China
109Kanpur, India
109Lucknow, India
104Yakarta, Indonesia
101Shenyang, China

La contaminación de partículas más concentrada tiende a estar en áreas metropolitanas densamente pobladas de los países en desarrollo. La causa principal es la quema de combustibles fósiles por transporte y fuentes industriales.

Condados de EE. UU. Que violan a PM nacional2.5 estándares, aproximadamente correlacionados con la densidad de poblaciónCondados de EE. UU. Que violan a PM nacional10 normas

Ver también

  • La contaminación del aire
  • Guerra biológica
  • Polvo
  • Oscurecimiento global
  • Calentamiento global
  • Calina
  • Nube
  • Niebla

Notas

  1. ↑ A pesar de las menores emisiones de dióxido de carbono, los automóviles diesel pueden promover un mayor calentamiento global que los automóviles de gasolina. Servicio de noticias de Stanford. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  2. ↑ Polvo de suelo. Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  3. ↑ Sal marina. Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  4. ^ Sulfatos. Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  5. ^ Aerosoles carbonosos (carbono orgánico y negro). Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  6. ↑ Discusión de incertidumbres. Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  7. ↑ El forzamiento radiativo medio global del sistema climático para el año 2000, en relación con 1750. Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  8. ^ Aerosol de sulfato. Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  9. ↑ Pope, Arden C. et al. 2002. "Cáncer, mortalidad cardiopulmonar y exposición a largo plazo a la contaminación del aire por partículas finas". J. Amer. Medicina. Asoc. 287:1132-1141.
  10. ^ Lave, Lester B., Eugene P. Seskin. 1973. "Un análisis de la asociación entre la mortalidad de los Estados Unidos y la contaminación del aire". J. Amer. Asociación estadística 68:342.
  11. ↑ Mokdad, Ali H., et al. 2004. "Causas reales de muerte en los Estados Unidos, 2000." J. Amer. Medicina. Asoc. 291:10:1238.
  12. ↑ Contaminación del aire. Recursos del sitio, Worldbank.org. Consultado el 12 de octubre de 2007.

Referencias

  • Los aerosoles, sus efectos directos e indirectos. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  • Charlton, Jeff. Planificación pandémica: una revisión de los niveles de protección de mascarillas y respiradores. Continuidad Central. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  • Friedlander, Sheldon K. 2000. Humo, polvo y neblina. Nueva York, NY: Oxford University Press. ISBN 0195129997
  • Hardin, Mary y Ralph Kahn. Aerosoles y cambio climático. Biblioteca EO, NASA. Consultado el 12 de octubre de 2007.
  • Preining, Othmar y E. James Davis (eds.). Historia de la ciencia del aerosol. Österreichische Akademie der Wissenschaften.

Enlaces externos

Todos los enlaces recuperados el 16 de enero de 2019.

  • Asociación Americana para la Investigación de Aerosol.
  • Contaminación del aire Materia particulada.
  • Mira y lee "Pequeños secretos sucios". 2006 Documental científico australiano sobre los efectos en la salud de la contaminación por partículas finas de los escapes de vehículos.

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