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¿Qué son los aerosoles?


Se denomina aerosol a la mezcla heterogénea de partículas sólidas o líquidas suspendidas en un gas. En concreto, los aerosoles atmosféricos se refieren a estas partículas suspendidas en el aire y que se mantienen el tiempo suficiente para permitir su observación o medida. Estos son producidos por distintos procesos naturales o antropogénicos.

El tamaño de las partículas puede oscilar desde 0,02 µm hasta más de 100 µm. Entre los aerosoles más importantes a nivel troposférico por su contacto directo con la vida del planeta se encuentran los PM10 (partículas de menos de 10 micras de tamaño) y los PM2.5 (partículas de menos de 2,5 micras).

La presencia de los aerosoles en la atmósfera es altamente variable, desde unos pocos µg/m3 en aire muy limpio hasta cerca de 1000 µg/m3 en una atmósfera muy contaminada. La mayor parte de éstos se concentran en la baja troposfera (hasta 1-2 kilómetros de altura). No obstante, su presencia puede extenderse hasta la estratosfera.

La niebla y las nubes son ejemplos de aerosoles de partículas líquidas, mientras que el humo es un aerosol de partículas sólidas.

Los aerosoles tienen importantes consecuencias para el clima global, el medio ambiente y la salud humana.

Origen y composición

La generación de los aerosoles que encontramos en la atmósfera puede ser de origen natural (mayoritariamente) o debida a la actividad humana.

  • Aerosoles naturales. Las mayores fuentes naturales son la actividad volcánica, el polvo del desierto, los incendios forestales y de pastos de origen natural, la pulverización del agua marina y los pólenes.
  • Aerosoles antropogénicos. La principal fuente es la contaminación propiciada por la quema de combustibles en motores para el transporte y en centrales termoeléctricas para la generación de energía eléctrica. Otras fuentes son la quema de biomasa, la fundición de metales como cobre o zinc, la producción de cemento, cerámica y ladrillos, y el polvo generado en las obras o en la remonición del terreno.

Algunas de estas partículas son emitidas directamente a la atmósfera (aerosoles primarios), mientras que otros se forman en la atmósfera por procesos químicos o fotoquímicos (aerosoles secundarios).

Un ejemplo de aerosol primario puede ser el dióxido de azufre (SO2) emitido por los volcanes y procesos de combustión, mientras que el ácido sulfúrico (H2SO4) que se forma al reaccionar esta sustancia con el vapor de agua atmosférico es un ejemplo de aerosol secundario.

La composición química de los aerosoles afecta directamente a la interacción de la atmósfera con la radiación solar y el contenido de agua líquida. Los componentes químicos alteran el índice de refracción de la atmósfera, el cual determina el porcentaje de luz que es absorbido y dispersado.

A continuación, se muestra una clasificación resumida de los principales aerosoles en función de su origen y composición:

  • Sales marinas. La pulverización del agua de los mares y océanos es una de las mayores fuentes de aerosoles a nivel global. Las partículas que se generan tienen la misma composición que la del agua de la que proceden: cloruro sódico, sales de magnesio, calcio, potasio y sulfatos. Estos aerosoles no absorben la radiación solar.
  • Polvos minerales. Están originados por la erosión de la corteza terrestre y su posterior dispersión en el aire. Principalmente constituidos por óxidos (SiO2, Al2O3,FeO, etc…) y carbonatos (CaCO3, MgCO3). Estos aerosoles sí absorben la radiación solar.
  • Compuestos de azufre y de nitrógeno. Pueden ser de origen antropogénico o de origen biogénico natural.

Los óxidos de azufre son producidos principalmente por la quema de combustibles fósiles (petróleo, carbón), la metalurgia y la actividad volcánica. Cuando el dióxido de azufre (SO2) liberado reacciona en la atmósfera con el oxígeno da lugar a la formación de trióxido de azufre (SO3) y, posteriormente, tras reaccionar con el vapor de agua, ácido sulfúrico (H2SO4). Ambos contaminantes secundarios contribuyen a la formación de la lluvia ácida.

Los aerosoles primarios compuestos de nitrógeno son el monóxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2), procedentes principalmente del tráfico rodado, así como de determinadas industrias y de las calefacciones de carbón. Ambas sustancias se oxidan rápidamente en la atmósfera originando ácido nítrico (HNO3).

Además, estos compuestos de nitrógeno también son importantes en la formación del smog fotoquímico en ciudades al generar una capa contaminante en capas bajas de ozono troposférico gracias a la reacción de la luz solar, monóxido de carbono (CO) y NOx.

  • Materia orgánica. Puede ser de origen natural o antropogénico. Los aerosoles primarios más importantes son el metano (CH4), el carbono elemental y los compuestos orgánicos volátiles. Los aerosoles secundarios de este tipo derivan de la oxidación de estos últimos.

El más importante y abundante de los hidrocarburos atmosféricos es el metano (CH4), formado naturalmente por la descomposición o digestión de la materia orgánica. Es uno de los gases de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global.

El carbono elemental (también conocido como carbono negro) se forma a través de la combustión incompleta de combustibles fósiles, biomasa y biocombustibles. Tiene una alta absorción de la radiación, contribuyendo de igual forma al efecto invernadero.

  • Aerosoles extraterrestres. Provienen en su mayor parte de pequeños meteoritos, asteroides, cometas y restos de la formación del Sistema Solar (el polvo interplanetario). Estas pequeñas partículas se desintegran total o parcialmente al llegar a la atmósfera. Fundamentalmente están compuestos de hierro, magnesio, silicio, azufre y argón.

Permanencia de las partículas en suspensión

Las partículas incorporadas a la atmósfera desde fuentes naturales o antropogénicas son eliminadas de la atmósfera bien por deposición húmeda a través de su arrastre por la precipitación o bien por deposición seca a través de la sedimentación sobre superficies.

El tiempo de vida de estas sustancias en la atmósfera puede variar desde minutos a semanas en la troposfera (capa inferior de la atmósfera) y llegar hasta años si tales partículas alcanzan la estratosfera (común tras fuertes erupciones volcánicas, por ejemplo), ya que ahí no tienen lugar procesos de eliminación como la condensación o precipitación. Igualmente, su persistencia depende de su tamaño y composición.

Las partículas más pequeñas (inferiores a 0,1 micras) tienen el menor tiempo de vida, ya que se unen con otras para formar agregados más grandes. Además, actúan como núcleos de condensación para la formación de las nubes. Por tanto, su eliminación de la atmósfera es muy efectiva.

Las partículas de tamaño intermedio (entre 0,1 y 1 micras aproximadamente) suponen una eliminación más costosa, siendo decisivas además en la absorción y dispersión de la radiación solar.

Por último, las partículas de mayor tamaño (superiores a 1-2 micras) se forman por procesos mecánicos (a partir de otras más pequeñas). Se eliminan sobre todo por deposición seca debido a la acción de la gravedad.

En general, y al contrario de lo que sucede con los gases atmosféricos, la concentración de aerosoles puede variar notablemente en escalas de tiempo y/o espacio muy cortas.

Otra característica muy importante de los aerosoles es que, una vez en la atmósfera, pueden ser transportados a largas distancias, por lo que llegan a afectar a regiones muy alejadas de sus zonas de origen.

Un ejemplo de este transporte se da habitualmente en las Islas Canarias y en la zona mediterránea, con el aerosol desértico procedente del polvo del desierto del Sáhara, fenómeno que se conoce como calima. Cuando además se producen precipitaciones, dicho polvo es arrastrado y se tiene lo que se denomina lluvia de barro o lluvias rojas.

Efectos radiativos de los aerosoles

Los aerosoles juegan un papel determinante en el clima de la Tierra mediante la modificación del balance radiativo a través de tres efectos denominados efecto directo, semi-directo e indirecto.

La incertidumbre del impacto de los aerosoles en el balance radiativo terrestre es muy superior a la de cualquier otro agente de forzamiento climático. Esto es debido a que sus propiedades químicas, físicas y ópticas son altamente variables en el espacio y tiempo debido a su, generalmente, corta vida y a sus emisiones heterogéneas.

  • Efecto directo

Los aerosoles provocan un cambio en el flujo radiativo causado por la dispersión y absorción combinadas de la radiación solar y, en menor medida, de la radiación terrestre. La dispersión hace que el planeta tienda a enfriarse, mientras que la absorción provoca el efecto opuesto, es decir, un calentamiento del sistema climático. El equilibrio entre los dos efectos opuestos depende de las propiedades de los aerosoles y de las condiciones ambientales.

La dispersión devuelve al espacio una parte de la radiación solar incidente. En conjunto, nubes, gases y aerosoles dispersan alrededor de un 22% de la radiación solar. El efecto natural de los aerosoles tiene su mayor impacto sobre el clima en el caso de las grandes erupciones volcánicas, al emitirse una cantidad importante de gases y partículas que reflejan mayor cantidad de la radiación solar.

Esta atenuación de la radiación solar supone el efecto directo sobre el clima, provocando, en general, un enfriamiento del sistema climático excepto en el caso de aerosoles muy absorbentes sobre superficies altamente reflectantes (alto albedo) como el hielo y la nieve.

El enfriamiento que provocan los aerosoles ha camuflado en parte el calentamiento medio mundial de los gases de efecto invernadero que se habría provocado en su ausencia.

  • Efecto semi-directo

La absorción de radiación solar por aerosoles provoca cambios en la formación de las nubes. Es lo que se conoce como efecto semi-directo.

Algunos de los aerosoles atmosféricos con mayor capacidad de absorción son el carbono elemental y el polvo en suspensión, lo que provoca un calentamiento de estas partículas.

Esta absorción provoca un enfriamiento de la superficie situada debajo de la capa de aerosoles, aumentando la estabilidad de la atmósfera en sus capas inferiores y resultando en una inhibición de la convección (formación de nubes).

  • Efecto indirecto

Por último, los denominados efectos indirectos son aquellos cambios producidos por los aerosoles en las nubes.

Los aerosoles sirven como núcleos de condensación de gotas de las nubes, modificando la microfísica de éstas. De esta forma, afectan a sus propiedades radiativas, es decir, al efecto albedo de las nubes.

En presencia de una gran cantidad de aerosoles y, por tanto, de núcleos de condensación, se puede modificar el tamaño de las gotas de las nubes. Al tenerse, para una misma cantidad de agua, una mayor concentración de gotas, el tamaño de éstas será menor. Por tanto, una nube contaminada tiene mayor número de gotas, y más pequeñas, que una nube no contaminada.

El menor tamaño de las gotas lo que consigue es un aumento de la reflectividad de las nubes (mayor albedo), y por tanto, contribuyen a un enfriamiento del sistema (menos radiación solar es absorbida por la superficie terrestre).

Por otro lado, otro efecto indirecto afecta al tiempo de vida de las nubes y los cambios termodinámicos que se producen ellas. Las gotas más pequeñas pueden no alcanzar el tamaño crítico para llegar a precipitar, resultando en una disminución o inhibición de la precipitación. De esta forma, aumenta el tiempo de vida media de las nubes y, por tanto, la cobertura nubosa de la Tierra.

El aumento de la cobertura nubosa puede producir tanto enfriamiento como calentamiento de la superficie dependiendo de su altura. Las nubes bajas tienen un mayor efecto albedo (es decir, reflejan mayor proporción de la radiación solar incidente), mientras que las nubes altas dejan pasar una mayor cantidad de radiación a la superficie.

Además, la cobertura nubosa ejerce un efecto de “manta” dificultando que el calor absorbido por la superficie durante el día escape a la atmósfera durante la noche. Este efecto es el responsable de las noches más suaves en presencia de nubes.

La relación existente entre las nubes y la temperatura de la superficie es lo que se conoce como retroalimentación de las nubes (Cloud Feedback). Cambios en el balance radiativo afecta a la temperatura del aire superficial, lo cual repercute en la formación de nubes, que a su vez conlleva una amplificación o disminución de la perturbación inicial de la temperatura, y así sucesivamente.

Efectos sobre la salud

Las partículas en suspensión presentan serios problemas de calidad del aire. Esta contaminación puede causar una serie de problemas graves en la salud, incluso a las concentraciones que se encuentran en muchas ciudades.

El material particulado (los previamente mencionados PM) afecta a más personas que cualquier otro contaminante. Sus efectos sobre la salud son consecuencia del nivel de exposición, tanto a corto como a largo plazo. El tamaño de las partículas está directamente relacionado con su potencial para causar problemas de salud.

La exposición recurrente a las PM aumenta considerablemente el riesgo de desarrollar enfermedades cardiovasculares y respiratorias, así como cáncer de pulmón. Incluso la esperanza de vida en ciudades con altos niveles de contaminación se ve reducida (unos 8 meses en promedio) respecto a la de zonas más limpias.

Las partículas más grandes generalmente se filtran en la nariz y en la garganta y no suelen causar problema. Sin embargo, las partículas más pequeñas sí son más peligrosas y requieren una mayor vigilancia de sus concentraciones. De gran interés son las partículas PM10 (de tamaño inferior a 10 micras) y, especialmente, las PM2,5 (inferiores a 2,5 micras de tamaño).

Ambos tipos de partículas pasan a través de la garganta y la nariz y entran directamente en los pulmones, pudiendo incluso alcanzar el torrente sanguíneo. Por tanto, una vez inhaladas, pueden afectar al corazón y los pulmones. Además, las PM2,5 tienden a penetrar en el intercambio de gases de las regiones del pulmón pudiendo llegar a afectar a otros órganos.

Entre los problemas que pueden provocar este tipo de aerosoles se incluyen:

  • Aumento de síntomas respiratorios tales como la irritación de las vías respiratorias, tos y sibilancias.
  • Disminución de la función pulmonar
  • Agravamiento del asma
  • Latido irregular del corazón
  • Ataques cardíacos no mortales
  • La muerte prematura en personas con problemas crónicos cardíacos o pulmonares.

Población de riesgo frente a PM

Los principales grupos de riesgo por la exposición a partículas son las personas con enfermedades pulmonares o cardíacas, los ancianos y los niños, especialmente cuando se realiza una actividad física, ya que al respirar más rápido y profundamente entran mayor número de partículas en los pulmones.

Entre las enfermedades cardíacas y pulmonares se encuentran la arteria coronaria, la insuficiencia cardíaca congestiva, el asma o la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC).

Las personas de avanzada edad muchas veces pueden tener enfermedades del pulmón y/o del corazón sin diagnosticar, las cuales se verían agravadas por la exposición a PM, conllevando elevadas tasas de hospitalización respecto a otras franjas de edad.

Por último, los niños parecen más vulnerables a PM por distintas razones. Sus pulmones todavía están en desarrollo, son más propensos a tener asma u otro tipo de enfermedad respiratoria aguda y además pasan más tiempo a un alto nivel de actividad.

De igual forma, las personas con una exposición prolongada a este tipo de partículas (como las que viven muchos años en ciudades altamente contaminadas) presentan una mayor probabilidad de sufrir problemas tales como la función pulmonar reducida, el desarrollo de bronquitis crónica e incluso la muerte prematura.

Recomendaciones

La exposición a este tipo de contaminantes atmosféricos en muchos casos se halla fuera del control de la población y requiere la acción de las autoridades locales, nacionales e internacionales. No obstante, se pueden seguir una serie de consejos prácticos para reducir riesgos.

Como se ha mencionado, el impacto de estas partículas es mayor cuanto más prolongada sea la exposición y cuanto mayor sea la intensidad de la actividad física. Por ello, se recomienda reducir el tiempo de ejercicio físico, así como su intensidad en los días con niveles elevados de PM.

Para evitar niveles elevados de PM en interiores se recomienda ventilar de vez en cuando (a poder ser con filtros de aire).

Por último, el uso de la mascarilla en días y zonas con alta concentración de PM actúa como barrera importante para evitar la inhalación de estas sustancias.

Legislación

Debido a sus efectos nocivos sobre la salud y el medio ambiente, es necesario llevar un control de los niveles de PM. Por ejemplo, en España, los valores legislados como límite para la protección de la salud son:

  • Para PM10, un valor límite diario de 50 µg/m3 (no pudiéndose superar en más de 35 ocasiones por año civil) y un valor límite anual de 40 µg/m3 (promedio anual).
  • Para PM2,5, un valor límite anual de 25 µg/m3.

Estos valores van en línea de lo fijado por la Unión Europea (UE). Sin embargo, la Organización Mundial de la Salud (OMS) es bastante más restrictiva, con unos límites anuales de 10 µg/m3 para las PM2,5 y 20 µg/m3 para las PM10.

Hay que tener en cuenta que en España son frecuentes unos niveles elevados de PM10 de origen natural por intrusiones de polvo africano. Por este motivo, la legislación vigente establece un procedimiento para conocer en qué medida se ven afectados los niveles medidos por las fuentes naturales y cuál es el nivel de PM ocasionado por actividades humanas.