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Contaminación Atmosférica Capítulo 2 Principales Contaminantes

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Contaminación Atmosférica Capítulo 2 Principales Contaminantes - PowerPoint PPT Presentation


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Contaminación Atmosférica Capítulo 2 Principales Contaminantes . Influencia de los contaminantes. Fuentes de los contaminantes. Fuentes naturales. Las principales fuentes naturales de los contaminantes. La actividad volcánica,

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Las principales fuentes naturales de los contaminantes

La actividad volcánica,

En ésta se emiten enormes cantidades de SO2, SH2, CO2, partículas y vapor de agua. Dada la altura alcanzada por los penachos, las partículas emitidas permanecen en la atmósfera durante mucho tiempo.

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Los fuegos en nuestros bosques son también una fuente importante de contaminantes, CO, CO2, compuestos órgano-volátiles, partículas, óxidos de nitrógeno

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Las tormentas de arena constituyen también una fuente importante de partículas. En la imagen se observa una de ellas sobre el Océano Atlántico a la altura de Marruecos.

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Por otra parte las grandes extensiones boscosas producen una gran

de compuestos órgano-volátiles (terpenos, pinenos,…) los cuales se pueden convertir en partículas aumentando la concentración de las mismas, dando lugar a una pérdida de visibilidad.

Así mismo estos bosques producen grandes cantidades de polen lo que genera un problema para las personas con algún tipo de alergia.

Los océanos son por otra parte una fuente importante de partículas, principalmente sales (ClNa, sales de yodo, etc) que atacan a los metales produciendo corrosión. Esto es importante en las ciudades y pueblos costeros.

variaci n de la poblaci n mundial
Variación de la población mundial:

El crecimiento de la población mundial fue más o menos estacionario hasta el siglo XVII, a partir del cual los avances científicos han permitido un crecimiento exponencial de la misma. Parejo al incremento de la población se ha producido un incremento de la calidad de vida que ha tenido como consecuencia un mayor gasto de energía, principalmente

obtenida a partir de combustibles fósiles: Carbón, petróleo, gas natural. Este incremento del gasto energético has sido particularmente importante a lo largo del siglo XX.

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La combustión de los combustible fósiles lleva consigo la producción de importantes cantidades de óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno: La figura nos muestra la producción de azufre en Europa desde mediados del siglo XIX.

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Compuestos de azufre:

(Oxidados) :

SO2: Gas que condensa con facilidad, es incoloro, de olor picante y más pesado que el aire, posee un elevado poder de corrosión. Químicamente puede actuar como oxidante (p. ej. frente al sulfuro de hidrógeno,SH2) o como reductor (con los halógenos)

SO3: Líquido incoloro de elevada afinidad por el agua con la que forma el ácido sulfúrico, altamente oxidante. En la atmósfera es un compuesto secundario que aparece como oxidación delSO2

H2SO4: Líquido altamente corrosivo, se forma a partir de la hidratación del SO3

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Reducidos

Sulfuro de hidrógeno:SH2, gas a temperatura ambiente, incoloro y de olor desagradable (huevos podridos) posee un fuerte poder reductor: Se forma en como resultado de la putrefacción y en los volcanes :

Sulfuro de dimetilo (CH3SCH3), es un gas procedente de la exhalación de algas marinas.

Sufuro de carbonilo (COS) es un gas procedente de la exhalación de algas marinas.

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Oxidación

e hidratación

Oxidación

H2S

DMS

SO4(2-)

(partículas)

SO2

Fuentes

Naturales

Deposición

seca y húmeda

(agua de lluvia)

Fuentes

antropogénicas

Deposición

seca

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Contenido en azufre de los diferentes combustibles:

Oil (parafinas, gas-oil, fuel-oil): 0.1% al 3%

Carbón: 0.1 y 4 %

Gas natural (principalmente metano): trazas

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Madrid:

http://www.mambiente.munimadrid.es/emisiones/IE.htm

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Óxidos de nitrógeno(NOx):

Óxido nítrico: NO

Dióxido de nitrógeno: NO2

Óxido nítrico:

en condiciones normales es un gas incoloro, que desde

el punto de vista químico, resulta bastante inerte,

aunque a temperaturas elevadas puede resultar oxidante.

Dióxido de nitrógeno:

Gas altamente oxidante, que se forma como resultado

de la oxidación del NO.

En condiciones normales es un gas de color pardo, que

se va intensificando a medida que sube la temperatura

Óxido nitroso (N2O): Gas emitido de forma natural por las bacterias denitrificantes. Es bastante inerte y alcanza la estratosfera. Tiene efecto invernadero. Se emplea como anestésico.

Otros óxidos: NO3, N2O5, N2O3

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Se producen a alta temperatura en los procesos de combustión

* Procesos térmicos:

Se produce como una reacción entre el nitrógeno

y el oxígeno del aire. Las reacciones se pueden

resumir en el llamado proceso de Zeldovitch

N2 + O ----> NO + N

N + O2----> NO + O

que es altamente endotérmico, por lo que la máxima produc-

tividad de NO se produce en la zona de máxima tem-

peratura de la cámara de combustión.

* Combustible:

Se forma NO a partir del nitrógeno que aparece en el

combustible. Típicamente, el nitrógeno del combustible

(fuel y carbón) contiene entre el 0’5 y el 1’5 % de nitrógeno

y algo menos en el gas natural.

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El NO2 se suele formar normalmente a partir de la

Oxidación del NO

NO + O3 ------> NO2 + O2

NO2 + hn (l < 420 nm) -----> NO + O

día

Noche

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Emisiones españolas de NOx,

(expresado en términos de NO2, Corinair94)

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Madrid:

http://www.mambiente.munimadrid.es/emisiones/IE.htm

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Agrupamos en este término tanto las emisiones de amoniaco (NH3) como ión amonio (NH4). Las principales fuentes de emisión de estos compuestos son la ganadería intensiva, debido principalmente a la descomposición de la urea y el ácido úrico. El amoniaco se encuentra normalmente en forma gaseosa, y el ión amonio se encuentra formando parte de partículas sólidas o líquidas en forma de sulfato o nitrato amónico.

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Madrid:

http://www.mambiente.munimadrid.es/emisiones/IE.htm

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Debido a que su emisión se produce en zonas rurales,

donde se localizan usualmente la ganadería intensiva, la fuente

de emisión es muy diferente a la de los otros gases estudiados

que tienen un origen más urbano. Una fuente importante

de amonio es también los fertilizantes, sobre todo si contienen

urea

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Gas emitido de forma natural por el océano y el suelo,

no es tóxico a las concentraciones normales. Es un gas

radiativamente activo y por tanto tiene un efecto invernadero.

En el suelo surge como resultado de procesos de nitrifica-

ción/desnitrificación anaeróbica. Este proceso es más intenso en

suelos agrícolas donde se fertiliza el suelo. Los cambios en el uso del terreno, tales como deforestación, drenado y cultivo intensifican la emisión.

En la estratosfera el óxido nitroso es una fuente importante de óxido nítrico a través de la reacción

N2O + O ----> 2NO

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Madrid:

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En esta categoría entran todos los compuestos orgánicos volátiles

que incluyen:

* Hidrocarburos - no metano (NMHC) tales como:

-alcanos o parafinas (saturados, enlaces simples : etano, butano..., poco reactivos),

-alquenos u olefinas (no saturados, enlaces dobles o triples: etileno, acetileno, más reactivos que los alcanos)

Son muy volátiles aunque el punto de ebullición aumenta con la longitud de la cadena

-aromáticos (estructuras en anillo, benceno, tolueno,

vapores tóxicos e incluso carcinógenos)

* Hidrocarbonos Oxigenados

alcoholes, eteres, aldehidos y cetonas

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Madrid:

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El metano es el mas ligero de los hidrocarburos, es el llamado gas de los pantanos, pues se produce de forma natural debido a procesos de fermentación anaeróbica. Es un gas de efecto invernadero y debido a la acción del hombre (ganaderia intensiva, aumento del cultivo del arroz, tratamiento de basuras, etc.) está incrementando su concentración en la atmósfera.

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Emisiones

de metano

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Madrid:

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El monóxido de carbono (CO) es un gas incoloro e inodoro

algo más ligero que el aire, es altamente reductor y no reacciona

con el agua. El monóxido de carbono es el gas del llamado

‘tufo’ que se produce por una mala combustión en los

braseros de carbón vegetal (picón) y que puede producir la muerte

al tener una gran afinidad por la hemoglobina de la sangre.

El monóxido de carbono tiene tanto un origen natural como

antropogénico, la principal fuente de emisión antropogénica

lo constituye una mala combustión de gasolinas y gasóleos en los

motores de los vehículos. La producción natural se produce mediante

la oxidación del metano, la exhalación de los océanos, la descompo-

sición de la clorofila, etc.

La producción antropogénica de este contaminante es mucho mayor

que la de cualquier otro.

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Madrid:

http://www.mambiente.munimadrid.es/emisiones/IE.htm

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El dióxido de carbono: A las temperaturas normales se encuentra en forma de gas (punto de congelación -70 C, da lugar a la nieve carbónica). Gas natural que junto con el agua, quizás sea los más importante para la vida sobre la tierra pues interviene en multitud de procesos tanto geoquímicos (meteorización de las rocas) y biológicos (fotosíntesis) y atmosféricos (gas radiativo). Antropogenicamente hablando se produce en multitud de procesos principalmente en todos los de combustión:

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Madrid:

http://www.mambiente.munimadrid.es/emisiones/IE.htm

contaminantes secundarios
Contaminantes Secundarios

El Smog fotoquímico:

* Ozono

* Radicales libres

* PAN

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La ciudad de Los Angeles en Estados Unidos, hacia mediados

de los años 40 en el siglo pasado, fue la primera ciudad

donde se empezaron a notar los efectos del llamado smog fotoquímico.La frecuencia, duración y severidad de este fenómeno provocó que se investigase su origen y forma de atajarlo.

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La palabra smog es una palabra compuesta, unión de dos palabras inglesas: smoke : humo y fog: niebla. Y se utilizaba para designar

las frecuentes y persistentes nieblas que tenían lugar

en Londres a

finales del siglo XIX y principios del XX y que se formaban sobre los humos emitidos por las calderas utilizadas para calefacción que además contenían (las nieblas) una gran cantidad de SO2.

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El tipo de smog que se producía en Los Angeles eran de origen

diferente pues era un smog seco en vez de húmedo que era el

que se producía en Londres.

Las investigaciones condujeron a que el origen de este smog

era producto de complejos procesos fotoquímicos que tenían lugar

en unaatmósfera contaminada con multitud de substancias químicas

procedentes de la combustión de gasolinas y gasóleos en las

cámaras de combustión de los motores de los vehículos,

las industrias del petróleo etc.

slide71

La principal característica de este smog fotoquímico es el alto grado

de oxidación de los compuestos que lo forman, principalmente

ozono y radicales peróxidos que provocan irritación bronquial,

ocular así como daño a las plantas y materiales de construcción.

La estación preferida para la aparición del smog fotoquímico es

el verano, cuando la radiación solar es elevada, aunque las condicio-

nes meteorológicas son también muy importantes. Por ejemplo

la existencia de inversiones superficiales favorecen la formación

de smog fotoquímico. Vamos a analizar los mecanismos responsables de la formación de este smog fotoquímico.

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(57%)

(13%)

(20%)

slide74

Los Angeles

Tubo de

escape

Laboratorio

slide75

Con referencia a la figura, que representa , las medidas en los Angeles, tenemos que,

  • La máxima concentración de NO se observa a primera hora de la mañana, cuando se produce el tráfico asociado a la entrada al trabajo.
  • La máxima concentración de NO2 se obtiene varias horas más tarde
  • La máxima concentración de O3 así como de los aldehidos y el PAN se obtienen por la tarde. Un similar comportamiento se obtiene en las curvas obtenidas en el laboratorio tanto en salidas de gases como en las cámaras de reacción

Que mecanismos producen este comportamiento ?

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En primer lugar tenemos el siguiente grupo de reacciones, que constituye el ciclo fotoquímico básico del NOx y el O3 :

que permiten oxidar el NO, ahora bien, este proceso requiere la existencia de O3 y a primera hora de la mañana según se desprende de la figura apenas hay O3, se necesita otro mecanismo. Todo parece indicar que los radicales libres orgánicos/inorgánicos son en una buena parte responsables. Veamos como.

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R• : Radical alkilo

RC•(=O) :Radical acilo

RO • : Radical alkoxilo

ROO •: Radical Peroxialkilo

R(C=O)OO •: Radical Peroxiacilo

OH •: Radical hidroxilo

O2H • : Radical hidroperoxilo

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Radicales libres inorgánicos:

Los más importantes son: Oxígeno atómico O (3P); Oxigeno atómico O*(1D); radical hidroxilo, OH*; radical hidroperóxido, O2H*. Algunos mecanismos de formación son:

HNO2 + hn (l < 395 nm) --------> NO + OH

O3 + hn --------> O2 + O*(1D)

O*(1D) + H2O -----> 2OH

Neto: O3 + hn + H2O --------> O2 + 2 OH

NO2 + hn((l = 395 nm) -------> NO + O

OH + CO -------> CO2 + H*

H* + O2 + M -------> HO2 + M

Neto: OH + CO + O2 + M --------> CO2 + HO2 + M

HO2 + HO2 -----> 2H2O2

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Desarrollo de estrategias de control:

Resulta interesante analizar como podemos disminuir la cantidad de ozono formado en un smog fotoquímico. Hemos visto a partir de el oxido nítrico NO e hidrocarburos, por medio de la acción de radicales se forma Ozono, PAN y aldehidos. Podemos intentar disminuir las concentraciones de NO e hidrocarburos o bien disminuir cada una por separado. Para ver el efecto de estas disminuciones Dodge preparará unos diagramas que llevan su nombre en los que analiza la cantidad de ozono resultante a partir de ciertas concentraciones de NO e hidrocarburos. El resultado lo podemos ver el el siguiente diagrama.

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VOC/NOx = 8

Diagrama de

Dodge.

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El ozono es una forma alotrópica del oxígeno cuya fórmula química es O3. En condiciones normales es de color azulado y con un olor picante característico. Posee un fuerte poder oxidante y una gran tendencia a transformarse en oxígeno mediante una reacción exotérmica, que frecuentemente cursa con violencia explosiva.

A nivel global el ozono se concentra en una capa situada entre los 12 y 20 Km. de altura, la llamada ozonosfera. No obstante y como resultado de procesos fotoquímicos que tienen lugar en la atmósfera contaminada de las grandes ciudades, es posible que se encuentren altas concentraciones de este gas en dichas atmósferas. Es en este sentido en el que hemos estudiado el ozono en este momento. Dejaremos para más adelante el estudio del ozono estratosférico cuando estudiemos las implicaciones globales de la contaminación.

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Es un hecho experimental relativamente fácil de llevar a cabo (basta que miremos en algún rincón de casa, sobretodo si es un piso de estudiantes) que el aire tiene multitud de partículas en suspensión. A este sistema aire+partículas se le denomina aerosol atmosférico.

El aerosol atmosférico es ubicuo, está presente tanto en atmósferas muy contaminadas de las grandes ciudades como en atmósferas ‘limpias’ de los sitios más remotos de la Antártida o el polo norte

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Distribución en tamaños:

Especialmente debido al movimiento Browniano las

partículas más pequeñas pueden permanecer en la atmósfera

durante mucho tiempo, obviamente cuanto más grandes son las partículas mayor es su velocidad de sedimentación y por tanto debe de existir un tamaño máximo más allá del cual la partícula sedimenta muy rápidamente y no es observable. Este tamaño está en torno a las 100 mm. En cuanto al radio

más pequeño, viene determinado esencialmente por los mecanismos de producción del aerosol, está en torno a las

0.001 - 0.01 mm

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Figura que muestra un espectro idealizado de aerosoles:

Ordenadas: Número de partículas/cm^3 con tamaño comprendido entre

log (r) y log (r) +d(log (r))

Abscisas: log (r)

Para tres situaciones diferentes:

urbano, rural, marítimo

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La figura nos muestra un espectro del volumen de las partículas,

Podemos apreciar la existencia de tres zonas o modos:

nucleación, acumulación, ‘grosero’

MMD:Mass Median Diameter

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Algunas definiciones

Diámetro aerodinámico: Diámetro de una esfera de densidad unidad (g/cm3), que tiene la misma velocidad terminal en aire en calma que la partícula real en cuestión

Donde Kc es el factor de corrección de Cunninigham, factor del orden de la unidad para partículas mayores que 2 mm

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TSP: Total Suspended Particulate mater:

Total de partículas en suspensión

Se miden con un filtro de alta eficiencia que capture prácticamente el total de las partículas

PM10:Partículas con un radio aerodinámico menor de 10 mm

PM2.5:Partículas con un radio aerodinámico menor de 2.5 mm

Diámetro de corte de un analizador :

Diámetro a partir del cual un 50% de las partículas son retenidas.

Analizador de PM10: Lleva una filtro previo con un diámetro de corte de 10 mm, que deja pasar solamente aquellas partículas menores de 10 mm que luego son retenidas en un filtro de alta eficiencia.

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Origen:

  • Fuentes minerales:
  • Fuentes marítimas
  • Otras fuentes

Fuentes primarias

Fuentes secundarias

  • Conversión gas/partícula
slide103

Fuentes minerales:

Bajo la acción del viento se levantan partículas muy finas, que son incorporadas como aerosoles a la corriente general. Como ejemplo tenéis las grandes tormentas de arena del desierto. A su vez las partículas en suspensión realizan una labor de ‘lijado’ de las rocas, produciendo su erosión. Este proceso forma parte de la llamada “meteorización física”. Este ha sido un mecanismo importante, que lo largo de los siglos, ha ido moldeando el paisaje (El famoso loess chino).

Las partículas más pequeñas pueden permanecer mucho tiempo en suspensión y si el viento es persistente puede transportarlas a grandes distancias. Se pueden ‘ver’ en Badajoz, cuando viene aire Sahariano y son capaces de cruzar el Atlántico. Ser han observado grandes masas de aerosoles mediante imágenes satélite.

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La imagen nos muestra una nube de polvo sahariano

vista desde satélite sobre el Atlántico

España

Marruecos

Obviamente la composición de estas partículas

corresponde con el tipo de material donde se originó el aerosol, en este caso suelen estar compuestas de: sílice (SiO2), Feldespatos (Feldespato potásico KAlSi3O8, Feldespato plagioclasa NaAlSi3O3-CaAl2Si2O8), Hematita (Fe2O3), Calcita (CaCO3), Dolomita (CaMgCO3), Yeso (Ca SO4-2H2O), Epsomita (MgSO4-7H2O), Arcillas (Kaolinita, Illita, Vermiculita, Clorita)

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Fuentes marinas:

Cuando las burbujas que se forman en el mar se rompen inyectan a la atmósfera diminutas gotitas, si la humedad relativa no es muy elevada se evaporan dejando tras de si un núcleo de sal. Este diminuta partícula se puede integrar a la circulación general de la atmósfera.

Una buena parte del aerosol marino se produce mediante este mecanismo

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Obviamente la composición de la partícula refleja la composición del agua marina: Sal común y otras sales en menor proporción

(sulfatos, carbonatos, nitratos, fosfatos, etc.).

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Otras fuentes:

Volcanes, emiten una gran cantidad de partículas a la atmósfera. Las erupciones más intensas alcanzan fácilmente a la estratosfera donde permanecen durante mucho tiempo. Las partículas emitidas por los volcanes están formadas esencialmente por compuestos de sílice (elemento fundamental del manto terrestre). Entre los gases destacan el H20, CO2, SO2, COS, N2, CO, HCl, Cl2.

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Otras fuentes:

  • Generación de humos en procesos industriales,
  • Generación de energía (combustión de combustibles fósiles: carbón (lignito, hulla, antracita), fuel, gas natural)
  • Automoción(Diesel), etc

Los procesos de combustión

producen hollines (partículas de carbón muy finas junto con materia orgánica), cenizas (compuestos inorgánicos), materia orgánica, … Los motores diesel producen de 10 a 100 veces más partículas que los de gasolina.

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Otras fuentes:

-Polen de las plantas:

*Importancia fundamental en la polinización,

* Interés desde el punto de vista de las enfermedades alérgicas

- Fuegos

* En los fuegos de las superficies boscosas, por accidente o intencionado.

* En los fuegos por prácticas agrícolas. p. ej. En Extremadura en otoño se quema una gran cantidad troncos de maiz

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Conversión gas/partícula:

El proceso de conversión de gas a partícula es un proceso mediante el cual cuando un vapor alcanza una ‘presión de vapor’ suficiente se produce la condensación formandose una partícula. Otra posibilidad es que se produzca una disolución del gas en una gotita de agua y cuando esta se evapora el núcleo resultante contenga la sustancia que se disolvió.

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Ejemplos importantes

El dióxido de azufre SO2 producido, por ejemplo, por la combustión de carbón de alto contenido en azufre, se oxida en el aire mediante reacción con algún radical libre (p. ej., OH) dando lugar a SO3 que posteriormente se hidrata y da lugar a H2SO4, un posible mecanismo es el siguiente

HO + SO2 --------> HOSO2

HOSO2 + O2 --------> SO3 + HO2

SO3 + H2O --------> H2SO4

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Una vez formado el ácido sulfúrico en fase gaseosa, en presencia de vapor de agua y/o amoniaco da lugar a partículas solubles de sulfato amónico (proceso de nucleación), o bien condensa sobre núcleos preexistentes (proceso de condensación)

Otra posibilidad es la disolución del SO2, en las gotitas de agua de las nubes y en fase líquida formarse sulfatos.

SO2 (g)+ H2O(l) -----> SO2*H2O (acu)

SO2*H2O (acu) -----> SO3H(-) + H(+)

SO3H(-) -----> SO3(2-) + H(+)

Los mecanismos de oxidación de S(IV) a S(VI) son diversos,

algunos ejemplos son:

SO3H-(acu) + H2O2(acu) ----> SO4H-(acu) + H2O(l)

SO3H-(acu) + O3(acu) ----> SO4H-(acu) + O2 (acu)

2SO3H-(acu) + O2(acu) ---------> 2SO42- + 2 H+

Fe3+,Mn 2+

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Este proceso disminuye el pH ====> Lluvia ácida

Los núcleos formados mediante los anteriores mecanismos son muy higroscópicos formando parte de una parte de los aerosoles:

Los núcleos de condensación nubosos: Partículas higroscópicas necesarias en la formación de las nubes cálidas.

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Otro mecanismo importante para la formación del H2SO4 es la oxidación de una substancia procedente de la exhalación de las algas: El sulfuro de dimetilo CH3SCH3(DMS)

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Otros ejemplos de conversión gas a partícula:

Al igual que sucede con el SO2, el NO2 es oxidado a NO3 e hidratado para formar ácido nítrico HNO3 el cual entra a formar parte del aerosol mediante nucleación y/o condensación. O es disuelto en las gotitas de agua en las nubes.

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Así mismo el amoniaco (emitido mediante metabolismo bacteriano, en animales domésticos, fertilizantes, suelos naturales, océanos) se disuelve en el agua para formar el ión amonio

NH3(gas) <=====> NH3 (acu)

NH3(acu) + H+ <====> NH4+

El catión NH4 reacciona con los aniones (SOH2-, NO3- ) para dar lugar a los núcleos de condensación cuando el agua se evapora.

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Una de las consecuencias del aumento de la contaminación es precisamente el aumento de la cantidad de CCN, lo que puede alterar las propiedades de las nubes. Un aumento de la cantidad de CCN produce una mayor competitividad de los CCN por el vapor lo que produce una disminución del radio medio de las gotitas alterando las propiedades reflectivas de las nubes y por tanto la radiación que alcanza la superficie de la tierra