En el ambito medioambiental y de la ingenieria ambiental, se denomina aerosol , o aerosol atmosferico , a las particulas solidas o liquidas que se encuentran suspendidas, en estado estacionario, en el aire u otro gas. ^{[ 1 ]} ​ Estas particulas se encuentran presentes tanto en atmosfera interiores como exteriores y dependiendo del tipo o cantidad, pueden llegar a jugar un importante papel medioambiental, en algunos casos con impacto adverso en la salud humana y en otros organismos vivos. Generalmente, estas particulas se encuentran en estado coloidal y su tamano varia desde 0,002 μm hasta mas de 100 μm de diametro; esto es, desde unas pocas moleculas agregadas a una goticula de liquido, hasta un tamano suficientemente grande, que hace que las particulas no puedan permanecer suspendidas en el aire, retornando a la superficie terrestre en las siguientes horas, tras su emision.

Origen y composicion [ editar ]

Los aerosoles atmosfericos pueden ser de origen natural o antropogenico, es decir, producidos por la actividad humana. Algunas de estas particulas son emitidas directamente a la atmosfera (emisiones primarias) y otras se producen por reacciones quimicas entre gases y otras sustancias contaminantes emitidas a la atmosfera (emisiones secundarias) o mediante procesos de condensacion y coagulacion de otras particulas de menor tamano al considerado como aerosol. Para los aerosoles atmosfericos, existen algunas notaciones de caracter tecnico relacionadas con el diametro medio de la particulas. La notacion PM ₁₀ se refiere a las particulas que pasan a traves de un cabezal de tamano selectivo para un diametro aerodinamico de 10 μm con una eficiencia de corte del 50 %, mientras para que PM _2,5 representa particulas de menos de 2,5 μm de diametro aerodinamico. ^{[ 2 ]} ​ De forma analoga pueden utilizarse otros valores numericos.

Las mayores fuentes naturales de aerosoles atmosfericos son la actividad volcanica ( cenizas volcanicas ) y las tormentas de polvo procedentes de zonas deserticas o de suelos erosionados. Tambien la vegetacion y los microorganismos emiten sustancias quimicas que pueden llegar a producir aerosoles de origen secundario cuando no, particulas de origen primario como los polenes. Otras fuentes naturales de aerosoles en la atmosfera son los incendios de origen natural (bosques, sabanas, etc.) y el aerosol marino, producido por la pulverizacion del agua oceanica generada por el viento o al chocar contra las rocas costeras.

Respecto al aerosol de origen antropogenico, la mayor fuente de aerosoles debida a la actividad humana es la quema de combustibles en la industria y en motores termicos para el transporte asi como en centrales termoelectricas para la generacion de energia electrica . Otras fuentes de emision proceden de la fundicion de metales como cobre o zinc, la produccion de cemento, ceramica y ladrillos, ademas del polvo generado en las obras de construccion, canteras y mineria a cielo abierto. Algunos de los principales componentes que desprenden son sulfatos, nitratos y aerosoles organicos.

Se estima que el flujo anual de aerosoles atmosfericos puede llegar a alcanzar los 3000 M de toneladas metricas siendo el principal contribuyente, el mar y los oceanos. ^{[ 3 ]} ​

Aerosol	Natural (N) Antropogenico (A)	Flujo anual (Mt*)
Aerosol marino	N	1000 - 1500
Polvo mineral	N, A	100 - 750
Incendios forestales y de praderas	N, A	35 - 100
Emisiones volcanicas	N	~50 (muy variable)
Meteoritos	N	~1
Quema de combustibles	A	~50
Condensacion	N, A	~1500
Mt = 1.000.000 toneladas (un millon de toneladas)

La composicion quimica de los aerosoles afecta directamente a la forma en que interactua la atmosfera con la radiacion solar y el contenido de agua liquida. Los componentes quimicos de los aerosoles alteran el indice de refraccion global de la atmosfera. El indice de refraccion determina la cantidad de luz que es dispersada y la que es absorbida. Asi, las particulas de menos de 0,1 μm producen dispersion de la luz debido al efecto de dispersion Rayleigh , mientras que las que tienen un tamano entre 0,1 y 1 μm, dan lugar a efectos de interferencia, lo que genera perdida de visibilidad y enfriamiento del aire. ^{[ 4 ]} ​

Aerosol marino [ editar ]

El principal responsable de la formacion del aerosol marino es el viento, ya que este aerosol se produce por pulverizacion del agua marina al romper las olas, bien por choque entre ellas, bien por choque contra las rocas costeras. La agitacion y las turbulencias asociadas arrastran aire con la consiguiente formacion de burbujas que una vez en la superficie, al entrar en contacto con la atmosfera, estallan liberando infinidad de pequenas gotas (goticulas) que se incorporan a las masas de aire proximo en movimiento. ^{[ 5 ]} ​ El aerosol marino es considerado como una de las principales fuentes de aerosol atmosferico. Respecto a la composicion de este aerosol, esta esta relacionada con la composicion del agua del mar, siendo sus principales componentes, aparte del agua no evaporada, presente en la goticula, el cloruro sodico , cantidades menores de sales de magnesio , calcio , potasio y sulfatos . Ademas, los aerosoles de origen marino pueden contener compuestos organicos. Estos aerosoles no absorben la luz solar aunque pueden dar lugar a fenomenos de dispersion (brumas y neblinas). Como es de suponer, la mayor concentracion de aerosol marino en el aire se da en las zonas oceanicas y en las zonas costeras, decreciendo desde la linea de costa hacia el interior.

Polvo mineral [ editar ]

El polvo mineral conforma uno de los mas frecuentes aerosoles atmosfericos y tiene su origen en la erosion de la corteza terrestre y su posterior dispersion en el aire. Las emisiones de polvo mineral a nivel mundial se estiman en 1000-5000 millones de toneladas por ano, ^{[ 6 ]} ​ de las cuales la mayor parte se atribuye a los desiertos. El desierto del Sahara es la principal fuente de polvo mineral, que es dispersado en el mar Mediterraneo y el Caribe hacia el norte de America del Sur, America Central, America del Norte y Europa. El desierto de Gobi es otra gran fuente de polvo mineral, que afecta a Asia oriental y al oeste de America del Norte .

En cuanto a la composicion quimica de este aerosol, esta depende de su origen. Asi, el polvo sahariano, tiene practicamente la misma composicion que las arenas del desierto de origen, a pesar de que se haya trasladado centenares o miles de kilometros. Lo mismo ocurre con el polvo en suspension , que procedente del desierto de Gobi, afecta a las islas de Japon. En general, el polvo mineral esta constituido principalmente de oxidos ( SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , FeO , Fe ₂ O ₃ , CaO , y otros) y carbonatos ( CaCO ₃ , MgCO ₃ ) que constituyen la corteza terrestre. Estos aerosoles absorben la luz solar y tambien producen fenomenos de dispersion de la luz.

Aunque este tipo de aerosoles generalmente se considera de origen natural, se estima que alrededor del 30 % de la carga de polvo mineral en la atmosfera podria atribuirse a las actividades humanas a traves de la desertificacion y la utilizacion indebida de tierras. ^{[ 7 ]} ​

Compuestos de azufre y de nitrogeno [ editar ]

Los compuestos de azufre y nitrogeno emitidos a la atmosfera suelen ser gases, como H ₂ S, SO ₂ , NO, N ₂ O, que por reacciones secundarias pueden llegar a formar aerosoles secundarios. Las emisiones primarias pueden ser de origen antropogenico (a partir de la quema de combustibles fosiles ) o de origen biogenico natural.

• Oxidos de azufre

Aproximadamente la mitad del dioxido de azufre emitido a la atmosfera retorna a la superficie terrestre antes que haya tenido tiempo de reaccionar para producir otros contaminantes secundarios. El resto, sufre diferentes reacciones de oxidacion, en las que casi siempre estan implicados radicales hidroxilo libres que, tras varias etapas, terminan dando lugar a cualquier forma de sulfato, aunque dada la mayor presencia de agua en la atmosfera, en la mayoria de los casos sera acido sulfurico : ^{[ 8 ]} ​

${\displaystyle {\ce {SO2 + HO. -> HO.SO2}}}$

${\displaystyle {\ce {HO.SO2 + O2 -> HOO. + SO3}}}$

${\displaystyle {\ce {SO3 + H2O -> H2SO4}}}$

La presencia de acido sulfurico en los aerosoles atmosfericos genera nieblas acidas conocidas como "smog" gris o industrial . Este aerosol es mas persistente en la atmosfera que el SO ₂ , pudiendo permanecer en el aire durante varias semanas, siendo trasladado por los vientos a largas distancias y generando fenomenos de lluvia acida en lugares humedos y lluviosos o dando lugar a aerosoles de sulfatos que se depositan sobre la superficie terrestre y que recibe el nombre de deposicion seca , cuando afecta a zonas de escasa pluviometria. En cualquiera de los dos casos, dada la gran reactividad de estas sustancias, su efecto sobre los ecosistemas puede llegar a ser devastador.

Otros compuestos de azufre, como el sulfuro de hidrogeno (H ₂ S) u otras especies sulfuradas, tambien sufren procesos de oxidacion que, tras diferentes procesos quimicos, terminan como acido sulfurico. Los compuestos sulfurados son emitidos a la atmosfera de forma natural por accion de determinados organismos microbianos. Tanto el sulfuro de hidrogeno como otros sulfuros (organicos o inorganicos) son oxidados por los radicales hidroxilo (HO?), produciendo radicales HS?, muy reactivos, que rapidamente reaccionan con el oxigeno para producir oxido de azufre: ^{[ 8 ]} ​

${\displaystyle {\ce {H2S + HO. -> H2O + HS. -> HS. + O2 -> SO}}}$

El oxido de azufre continua sus procesos de oxidacion, a menudo con la intervencion de radicales libres, hasta terminar en trioxido de azufre, el precursor del acido sulfurico y los sulfatos.

• Oxidos de nitrogeno y smog fotoquimico

Los tres oxidos de nitrogeno que habitualmente pueden encontrarse en la atmosfera son el oxido nitroso (N ₂ O), el monoxido de nitrogeno (NO) y el dioxido de nitrogeno (NO ₂ ). El primero de ellos se produce de forma natural a partir de procesos biologicos de desnitrificacion en suelo y oceanos. ^{[ 9 ]} ​ Este compuesto es poco reactivo a nivel troposferico y desaparece al alcanzar la estratosfera, donde las reacciones fotoquimicas juegan un importante papel. Tambien contribuye al efecto invernadero . En cuanto al NO y NO ₂ , aunque tambien pueden tener origen natural, su presencia en el aire se debe principalmente a actividades antropogenicas, por lo que son considerados contaminantes y tratados de forma conjunta como NO _x (conjunto del oxido nitrico y el dioxido de nitrogeno ). La emision de compuestos NO _x se produce, principalmente, en los procesos de combustion interna de los motores de los vehiculos. Aunque el nitrogeno atmosferico es muy poco reactivo en condiciones normales, no ocurre lo mismo en el interior de los motores de explosion, donde la temperatura en el interior del piston puede alcanzar los 2500 °C a presiones de 40 atm. En estas condiciones, una pequena cantidad del nitrogeno del aire se oxida a NO, que es expulsado, junto con el resto de gases de combustion, por el tubo de escape. Una vez en el aire, el monoxido de nitrogeno se oxida a dioxido de nitrogeno en un proceso relativamente lento, que puede durar desde unos minutos a varias horas. La rapidez de este proceso esta, como tantos procesos en la quimica atmosferica, relacionado con la presencia de determinados radicales libres. Asi, si una molecula de NO se encuentra con un radical hidroperoxido, la reaccion es muy rapida:

${\displaystyle {\ce {NO + HOO. -> NO2 + HO.}}}$

Aunque tambien puede formarse por reaccion con sustancias muy oxidantes, como el ozono troposferico:

${\displaystyle {\ce {NO + O3 -> NO2 + O2}}}$

Una vez formado, la oxidacion, facilitada por la presencia de radicales hidroxilo , puede continuar hasta formar acido nitrico :

${\displaystyle {\ce {HO. + NO2 -> HNO3}}}$

El acido nitrico puede precipitar con la lluvia, contribuyendo al fenomeno de la lluvia acida, o puede reaccionar con los innumerables oxidos metalicos presentes en el aerosol atmosferico, con los que forman nitratos que se incorporan a la fraccion de aerosol mineral. Otro efecto secundario de la presencia de oxidos de nitrogeno (NO _x ), es la formacion del smog fotoquimico . En presencia de determinados compuestos organicos volatiles (VOC's) procedentes de hidrocarburos no quemados, que pueden ser emitidos tambien por vehiculos, o de disolventes y combustibles que se pueden evaporar facilmente durante los procesos de repostaje y con la colaboracion del ozono troposferico y de la radiacion solar, muchos de estos compuestos organicos se nitran, formado nitrocompuestos y dando lugar a un aerosol muy caracteristico en forma de bruma de color pardo-amarillenta.

Los aerosoles de sulfatos y nitratos son fuertes dispersores de la luz. ^{[ 10 ]} ​Merece especial atencion el N ₂ O, que transmite la radiacion de alta frecuencia pero refleja la radiacion de baja frecuencia.

Materia organica [ editar ]

Los aerosoles de materia organica pueden ser primarios o secundarios. Los secundarios se derivan de la oxidacion de compuestos organicos volatiles (COV). El material organico en la atmosfera puede ser de origen biogenico o antropogenico. Los aerosoles de materia organica influyen en el comportamiento de la atmosfera ante la radiacion, algunos dispersandola y otros absorbiendola.

Otro tipo importante de aerosol lo constituye el carbono elemental (tambien conocido como negro de carbono). Este tipo de aerosoles tienen una alta absorbancia de la luz y se cree que favorecen el efecto invernadero .

El metano (CH ₄ ) es el mas abundante e importante de los hidrocarburos atmosfericos, es un contaminante primario formado de manera natural por reacciones anaerobicas del metabolismo, desaparece de la atmosfera al reaccionar con radicales OH, formando principalmente ozono, es uno de los gases de efecto invernadero considerados en el protocolo de Kioto . En algunas estadisticas se distinguen las emisiones de compuestos organicos volatiles excluyendo el metano como NMVOC (del ingles Non-Methane Volatile Organic Compounds ).

Permanencia de las particulas en suspension [ editar ]

Varios son los factores que determinan el tiempo de permanencia de estas particulas en suspension en el seno del aire, siendo el tamano uno de los parametros mas importantes. En general, las particulas relativamente grandes retornan rapidamente a la superficie terrestre tras su emision a la atmosfera . La mayor parte de las particulas de diametro superior a 10 μm solo pueden sustentarse en el aire por medio de fuertes corrientes convectivas ascendentes o vientos de cierta velocidad, por lo que, generalmente, se depositan mas rapido, con una vida media en la atmosfera de solo minutos u horas y presentan mayor variabilidad espacial. ^{[ 11 ]} ​ Las particulas mas pequenas (de menos de 2,5 μm de diametro) tienen periodos de vida media en la atmosfera de dias a semanas, viajan distancias de 100 kilometros o mas. Las particulas con tamanos intermedios, entre 0.01 y 1 μm son capaces de permanecer suspendidas en el aire durante largos periodos de tiempo, de varios meses, lo que facilita su traslado y difusion atmosferica movidas por los vientos. Por ultimo, si las particulas son muy pequenas (<0,02 μm) su tiempo de permanencia en el aire tambien es muy corto, del orden de unas pocas horas, ya que coagulan rapidamente por colision con otras particulas o incrementan su tamano debido a fenomenos de condensacion, a menudo favorecidos por el descenso de la temperatura o por el aumento de la humedad relativa . ^{[ 3 ]} ​

Cambios radiativos de los aerosoles [ editar ]

Los aerosoles, naturales y antropogenicos, pueden afectar al clima cambiando el modo en el que la radiacion electromagnetica se transmite a la atmosfera. Las observaciones directas de los efectos de los aerosoles son bastante limitadas, por lo que cualquier intento por estimar su efecto global implica necesariamente el uso de modelos computarizados. El Panel Intergubernamental del Cambio Climatico , IPCC (por sus siglas en ingles), dice: Mientras que los cambios radiativos debidos a los gases de efecto invernadero se pueden determinar con un alto grado de precision [...] las incertidumbres relacionadas con los cambios radiativos debidos a los aerosoles siguen siendo grandes, y dependen en gran medida de las estimaciones de los estudios de modelos mundiales, que son dificiles de verificar en la actualidad . ^{[ 12 ]} ​

Aqui hay disponible un grafico que muestra las contribuciones (para 2000, comparado con 1750) y las incertidumbres de varios cambios.

Actualmente la red MPLNET , gestionada por la NASA, es capaz de medir continuamente determinando la distribucion de aerosoles y nubes en la atmosfera en diferentes localizaciones. El objetivo perseguido es caracterizar la evolucion a largo plazo de los aerosoles y refinar asi los modelos de evolucion del clima terrestre.

Aerosol de sulfato [ editar ]

Un aerosol de sulfato tiene dos efectos principales, uno directo y otro indirecto. El efecto directo, a traves del albedo , tiende a enfriar del planeta: el valor mas esperado del forzamiento radiativo segun el IPCC es de -0.4 W / m² , con un intervalo de confianza de -0.2 a -0.8 W/m². ^{[ 13 ]} ​ Sin embargo, existen incertidumbres importantes.

El efecto varia significativamente con la localizacion geografica, con la mayoria del efecto de refrigeracion posiblemente situado a sotavento de los principales centros industriales. Los modelos climaticos modernos que tratan de calcular la atribucion de los cambios climaticos recientes deben incluir efectos de los sulfatos, que parecen contribuir, al menos en parte, al ligero descenso de la temperatura mundial en la mitad del siglo  XX . El efecto indirecto (por la accion de los aerosoles como nucleos de condensacion de nubes , modificando por lo tanto las propiedades de las nubes) es mas incierto, pero se cree que es un efecto de enfriamiento.

Negro de carbono u hollin [ editar ]

El negro de carbono esta compuesto de agrupaciones de carbon que forman pequenas esferas y es uno de los tipos mas importantes de aerosoles de absorcion en la atmosfera. Debe distinguirse del carbono organico que forma parte de las moleculas organicas. La contribucion del hollin procedente de combustibles fosiles ha sido estimada por el IPCC en el Cuarto Informe de Evaluacion del IPCC con un forzamiento radiativo global esperado de +0,2 W/m² (fue +0,1 W/m² en el segundo informe de evaluacion El IPCC), con un intervalo de confianza de +0,1 a +0,4 W/m².

Efectos sobre la salud [ editar ]

Los efectos sobre la salud de la inhalacion de particulas en suspension han sido ampliamente estudiados en animales y en el ser humano . Los que se manifiestan primero son dolores pulmonares, de cabeza, malestares en garganta, irritacion y lagrimeo de los ojos, mientras que para exposiciones cronicas algunos son asma , cancer de pulmon , problemas cardiovasculares , y muerte prematura. Los efectos tambien estan relacionados con trastornos de salud como el incremento de la frecuencia de enfermedades respiratorias cronicas, disminucion de la capacidad respiratoria y el incremento de enfermedades cardiacas. El tamano de las particulas es uno de los principales determinantes de que estas entren en las vias respiratorias por inhalacion . Las particulas mas grandes generalmente se filtran en la nariz y en la garganta y no causan problemas, pero las particulas de menos de unos 10 micrometros ( PM ₁₀ ) pueden instalarse en los bronquios y en los pulmones y causar problemas de salud. Del mismo modo, las particulas de menos de 2.5 micrometros ( PM _2,5 ) tienden a penetrar en el de intercambio de gases de las regiones del pulmon, y las particulas muy pequenas (<100 nanometros ) pueden pasar a traves de los pulmones y afectar a otros organos. En particular, un estudio publicado en el Journal of the American Medical Association ( Diario de la Asociacion Medica Estadunidense ) indica que las PM _2,5 tienden a formar depositos en las arterias, causando inflamaciones vasculares y la arteriosclerosis , un endurecimiento de las arterias que reduce su elasticidad, lo cual puede conducir a ataques cardiacos y otros problemas cardiovasculares ^{[ 14 ]} ​. Los investigadores sugieren que la exposicion a altas concentraciones incluso a corto plazo puede contribuir considerablemente al desarrollo de enfermedades de corazon.

Tambien hay pruebas de que las particulas de tamano inferior a 100 nanometros pueden atravesar las membranas celulares. Por ejemplo, las particulas pueden migrar en el cerebro. Se ha sugerido que las particulas pueden causar danos en el cerebro similares a los encontrados en pacientes con Alzheimer . Las particulas emitidas por los motores modernos de gasoleo (comunmente conocida como humo diesel tienen comunmente tamanos en torno a los 100 nanometros (0,1 micrometros). Ademas, estas particulas de hollin pueden transportar componentes potencialmente carcinogenos , como los benzopirenos , adsorbidos en su superficie. Cada vez es mas evidente que aquellos limites legislativos para los motores que se establecen en terminos de masa de emisiones no constituyen una medida adecuada de los peligros para la salud. Una particula de 10 μm de diametro tiene aproximadamente la misma masa que 1 millon de particulas de 100 nm de diametro, pero es evidente que es mucho menos peligrosa, ya que es poco probable que entre en las vias respiratorias de un cuerpo humano y si lo hiciera seria eliminada rapidamente. Existen propuestas de nuevos reglamentos en algunos paises, con propuestas para limitar el area superficial de las particulas o el numero de particulas.

La relacion entre un mayor numero de muertes y de enfermedades con la polucion por particulas fue demostrada por primera vez a principios de los anos 1970 ^{[ 15 ]} ​ y se ha demostrado varias veces desde entonces. Se estima que la polucion por particulas causa entre 22.000 y 52.000 muertes al ano en Estados Unidos (desde 2000). ^{[ 16 ]} ​

Para conocer la relacion entre la exposicion o condicion y el efecto en el organismo existen diversos tipos de estudios, entre ellos los estudios toxicologicos y los estudios epidemiologicos.

Estudios toxicologicos [ editar ]

Involucran la evaluacion de la relacion dosis-respuesta de un organismo determinado en condiciones controladas, exponiendolo a diferentes dosis. Tienen mayor utilidad para determinar efectos a exposiciones agudas o efectos causados por exposiciones cronicas, generalmente se realizan en laboratorios. Ha encontrado datos significativos entre la asociacion de la exposicion a particulas indicadoras de efectos nocivos, aportando informacion a la mortalidad y morbilidad, sin embargo, no ha dado las propiedades especificas responsables de su toxicidad, como tamano, numero, forma, composicion o reactividad. Uno de sus principales problemas es que al llevarse a cabo en laboratorios, se conocen las propiedades de las particulas, pero no son representativas de la mezcla real a la que se expone la poblacion. ^{[ 17 ]} ​

Estudios paremiologicos [ editar ]

Se enfocan a los padecimientos, causas de muerte, se evaluan relaciones entre estos eventos o lo que pudo despachar en un grupo de personas , por lo que enfocada a los estudios ambientales evalua la exposicion a algun agente (contaminacion atmosferica) y si este se asocia con padecimientos o muertes prematuras. Los efectos se han documentado durante mas de 70 anos, donde, a partir de las primeras evidencias (valle del Osa, Belgica en 1931, Sonora, Pensilvano, mexicano. en 1948 y Atolondres, Inglaterra en 1952) resulto la asociacion entre exposiciones a particulas y la mortalidad y morbilidad gastrovascular, que desencadeno la creacion y aplicacion de medidas y programas de control y prevencion de la contaminacion.

A nivel mundial se han hecho estos estudios en dos tipos para evaluar la asociacion entre indicadores de morbilidad y mortalidad prematura con la contaminacion atmosferica, siendo el primero los estudios de series de tiempo, que se utilizan para evaluar la exposicion aguda de las particulas debido a la relacion entre cambios en niveles de contaminacion y fluctuaciones diarias en el numero de incidencia de padecimientos, admisiones hospitalarias o defunciones. Mientras que el segundo tipo son los estudios longitudinales que dan seguimiento a un grupo de personas previamente seleccionadas a traves de muchos anos para evaluar la relacion entre la exposicion cronica de particulas y la incidencia de indicadores de morbilidad o la tasa de mortalidad. ^{[ 18 ]} ​

Referencias [ editar ]