1. Composición y Estructura de la Atmósfera

La atmósfera es la capa gaseosa que rodea la superficie sólida y líquida de la Tierra hasta una altura de muchos kilómetros; un límite frecuentemente señalado es el de 10,000 km. La atmósfera está unida al resto del planeta por la gravedad. El 97% de la masa total atmosférica se concentra en sus primeros 30 km.

Características de las Distintas Capas

La estructura de la atmósfera puede ser descrita de diversas formas:

Según la atracción gravitatoria

Desde el punto de vista de la atracción gravitatoria se distingue la endosfera de la exosfera. Esta última comienza a partir de los 10,000 km, donde las partículas gaseosas empiezan a escapar de la fuerza del campo gravitatorio terrestre.

Según su composición química

Desde el punto de vista de la composición química, la NASA indica que los gases están ordenados en capas concéntricas de acuerdo con su peso molecular: las moléculas más pesadas se sitúan en las capas más bajas, y las más ligeras en las más altas. De este modo:

• Las partículas en suspensión forman aerosoles y se concentran en la parte baja de la atmósfera. Las que tienen un diámetro de más de 25 micrómetros tienen una velocidad de sedimentación alta, por lo que se depositan rápidamente sobre el suelo. Las que poseen un tamaño más reducido tardan más tiempo en depositarse sobre la superficie, y su tiempo de residencia en la atmósfera depende, además del tamaño, de la composición, de los vientos, etc.
• Los tipos y el origen de estas partículas son: partículas de polvo levantadas del suelo por el viento, partículas salinas, humos y cenizas procedentes de erupciones volcánicas y combustiones antrópicas, y agua constituyente de las nubes.
• Los gases mayoritarios son: N₂, vapor de H₂O, Ar, CO₂, Ne, O₃, SO₂ y NOₓ. Excepto los gases nobles, todos los demás elementos son componentes fundamentales de la biosfera.

Se distinguen dos grandes zonas:

• Homosfera: Alcanza hasta los 60-80 km. Tiene una composición fija formada por una mezcla homogénea de gases llamada aire. El aire es una mezcla principalmente de nitrógeno (≈78%) y oxígeno (≈21%).
• Heterosfera: Comienza por encima de la homopausa. En ella, los gases se estratifican según sus pesos moleculares. Hasta los 1,000 km, el gas dominante es el oxígeno molecular, que en altura comienza a desaparecer en favor del oxígeno atómico. Entre los 1,000 y los 2,500 km se extiende la capa de helio. Por encima de los 2,500 km y hasta los 10,000 km domina el hidrógeno.

Según la temperatura

Al hacer un sondeo térmico se distinguen las siguientes capas:

• Troposfera: Es la capa inferior, en la que se desarrollan los fenómenos meteorológicos. Su espesor varía entre 9 km (polos) y 16 km (ecuador). Su temperatura oscila entre la media de la superficie terrestre (15 °C) hasta -70 °C en el límite con la tropopausa, descendiendo unos 6.5 °C por cada km de altura (Gradiente Vertical de Temperatura – GVT). Los primeros 500 metros se denominan capa sucia, porque en ellos se concentra el polvo en suspensión. Este polvo contribuye a la coloración rojiza del cielo del amanecer y atardecer, sirviendo además como núcleo de condensación que facilita el paso del vapor de agua atmosférico de gas a líquido.
• Estratosfera: Se extiende desde la tropopausa hasta la estratopausa (aproximadamente 50 km). Contiene la ozonosfera (ver sección 2.2). La temperatura aumenta con la altitud debido a la absorción de radiación UV por el ozono, alcanzando cerca de 0 °C en la estratopausa.
• Mesosfera: Comienza tras la estratopausa, hacia los 50 km de altitud. La temperatura vuelve a descender con la altitud, alcanzando los -80 °C a unos 80 km, donde se encuentra su límite superior, la mesopausa.
• Termosfera (o Ionosfera): Comienza pasada la mesopausa. En ella se produce un calentamiento gradual debido a la absorción de radiación de alta energía. La temperatura alcanza cientos de grados Celsius, aunque la densidad es extremadamente baja.
• Exosfera: Es la última capa. Su límite superior se encuentra donde la densidad atmosférica es similar a la del espacio exterior (aproximadamente 10,000 km).

Según el estado de ionización

Según el estado de ionización de las partículas de la atmósfera distinguimos dos capas:

• Neutrosfera: Parte inferior (aproximadamente hasta los 80 km) en la cual las partículas no están ionizadas significativamente.
• Ionosfera: Situada por encima de la mesopausa (coincide en gran parte con la termosfera), en la que las partículas están ionizadas por la radiación solar de alta energía. En ella se produce la reflexión de ondas de radio y TV, permitiendo las comunicaciones a larga distancia.

2. Interacción de la Radiación Solar con la Atmósfera

2.1. Características de la Radiación Solar

La atmósfera absorbe selectivamente las distintas longitudes de onda de la radiación que nos llega del Sol. Así, en la ionosfera se absorben las radiaciones de onda corta y alta energía, y en la ozonosfera gran parte de la radiación ultravioleta. Sin embargo, las ondas correspondientes al espectro visible atraviesan casi toda la atmósfera y alcanzan la superficie terrestre, de donde se deduce que esta es casi transparente a dicha radiación y no experimenta un calentamiento significativo al ser atravesada por la misma.

De la radiación visible que llega, parte es reflejada por las nubes o por la superficie terrestre. La cantidad reflejada es directamente proporcional a su capacidad reflectante (o inversamente a su capacidad de absorción). El albedo es la proporción de energía reflejada y devuelta al espacio exterior.

La luz visible absorbida por el suelo provoca su calentamiento y, en consecuencia, una emisión de radiación infrarroja (calor). En presencia de gases como el vapor de agua y el CO₂, esta absorción de radiación infrarroja emitida por la Tierra es más eficaz y produce lo que se conoce como efecto invernadero. La radiación infrarroja que alcanza las nubes es reflejada en parte hacia abajo (contraradiación atmosférica), incrementándose así el efecto invernadero.

2.1.1. ¿Por qué el cielo es azul?

La belleza del cielo es el resultado de la interacción de la luz del Sol con la atmósfera. Una cantidad de humedad acompañada de partículas de polvo y de ceniza es suficiente para provocar en el cielo las múltiples manifestaciones de color. Cuando se dan condiciones atmosféricas especiales, pueden aparecer fenómenos ópticos como el Arco Iris, las coronas solares o lunares, falsos soles y falsas lunas, y otros más raros, todos completamente explicables.

El secreto del color azul del cielo está relacionado con la composición de la luz solar (que contiene todos los colores) y con las moléculas de gases y partículas en la atmósfera. La luz solar, al atravesar la atmósfera, choca con estas moléculas y partículas, dispersándose en todas direcciones (dispersión de Rayleigh). La desviación es máxima para los rayos de longitud de onda corta (violeta y azul) y mínima para los de longitud de onda larga (amarillos y rojos), que casi no son desviados. Como nuestros ojos son más sensibles al azul que al violeta, y parte del violeta es absorbido en la alta atmósfera, percibimos el cielo de color azul.

Si la Tierra no tuviera atmósfera, la luz solar alcanzaría nuestros ojos directamente desde el disco solar y no recibiríamos luz difundida; el cielo aparecería tan negro como por la noche. La difusión producida por los gases es muy débil; sin embargo, cuando el espesor de gas atravesado por la luz es muy grande (como ocurre al mirar hacia el cielo), fácilmente se puede observar la luz difundida. Los colores que nos ofrece el cielo se originan gracias a la intervención de las moléculas existentes en el aire y de las partículas que este tiene en suspensión (el aerosol atmosférico), que dispersan y desdoblan la luz solar de múltiples modos.

2.2. Efecto Protector de la Ionosfera y la Ozonosfera

La atmósfera absorbe parte de la radiación que llega del Sol antes de que esta alcance la superficie terrestre y, además, lo hace de forma selectiva. Estos procesos son de suma importancia, ya que algunas radiaciones producen efectos nocivos para los seres vivos. Las capas altas de la atmósfera funcionan como un filtro que protege de las radiaciones perjudiciales:

• Ionosfera: Las radiaciones electromagnéticas de onda corta (rayos X, parte del UV) son absorbidas principalmente por el O₂ y el N₂, que al ionizarse provocan el incremento en la temperatura de esta capa (termosfera). Si estas radiaciones llegaran a la Tierra, actuarían a modo de “cuchillos” rompiendo moléculas esenciales para la vida.
• Ozonosfera: Situada en la estratosfera, contiene la mayor concentración de ozono atmosférico (O₃), responsable de la absorción de la mayor parte de la radiación ultravioleta (UV-B y UV-C). Esto origina el aumento de la temperatura en esta capa. El ozono es una molécula triatómica (O₃) gaseosa y de olor picante. Se concentra principalmente entre los 15 y los 30 km de altitud. Se forma y se destruye continuamente mediante reacciones fotoquímicas. En condiciones normales, estas reacciones están en equilibrio dinámico y, además de retener cerca del 90% de los rayos UV peligrosos, producen un incremento en la temperatura de la estratosfera.

2.3. El Efecto Invernadero

Se origina principalmente en los primeros 12 km de la atmósfera (troposfera) por la presencia de ciertos gases llamados gases de efecto invernadero (GEI), tales como: vapor de agua (H₂O), dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) y óxido nitroso (N₂O), principalmente. Estos gases son transparentes a la radiación solar visible, pero absorben la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre calentada por el sol.

Al impedir la salida directa al espacio de gran parte de esta radiación infrarroja, la reemiten en todas direcciones, incluyendo de vuelta hacia la Tierra, incrementando la temperatura de la baja atmósfera y la superficie. Este efecto natural mantiene la temperatura media terrestre en torno a 15 °C, lo que permite la existencia de agua líquida y, por tanto, de vida tal como la conocemos. Sin él, la temperatura media sería de unos -18 °C.

La cantidad de calor atrapado dependerá de las concentraciones de GEI y de múltiples ciclos naturales, como el ciclo del agua y del carbono. El incremento del efecto invernadero, causado por el aumento desmesurado de los GEI debido a actividades humanas (quema de combustibles fósiles, deforestación, etc.), constituye un grave problema ambiental. Provoca un excesivo calentamiento de la atmósfera (calentamiento global) y resulta de la ruptura de determinados ciclos naturales.

2.4. Balance Energético de la Radiación Solar

El balance entre la energía recibida del Sol y la energía radiada por la Tierra al exterior ha permanecido relativamente equilibrado a lo largo de la historia geológica reciente, permitiendo temperaturas estables. La constante solar es la cantidad de energía solar que llega por unidad de área al límite superior de la atmósfera terrestre, perpendicularmente a los rayos solares. Su valor medio es de aproximadamente 1361 W/m² (aunque el valor histórico de 2 langley por minuto, equivalente a unos 1395 W/m², también se cita).

La energía del Sol que llega al exterior de la atmósfera (considerada como el 100%) se distribuye aproximadamente de la siguiente forma:

• Un 30% es reflejado directamente hacia el espacio exterior (albedo planetario) por las nubes, el polvo atmosférico y la superficie terrestre (hielo, nieve, desiertos, etc.).
• Un 23% de la energía incidente es absorbido por la atmósfera (gases, nubes, polvo).
• El 47% restante es absorbido por la superficie terrestre: los continentes absorben aproximadamente el 21%, los océanos el 25.8%, y solo un 0.2% es utilizado directamente para la fotosíntesis.

La energía absorbida por la superficie y la atmósfera (47% + 23% = 70%) es finalmente devuelta al espacio en forma de radiación infrarroja para mantener el equilibrio térmico del planeta a largo plazo.

2.5. Aprovechamiento Energético: La Energía Solar

De la energía solar que incide sobre la atmósfera terrestre, solamente una parte alcanza la superficie de nuestro planeta y, por tanto, es susceptible de aprovechamiento directo. Además, su aprovechamiento presenta ciertas dificultades:

• Es una energía muy dispersa y varía en función de la latitud, la estación del año, la hora del día y las condiciones meteorológicas (nubosidad).
• Es una energía intermitente (ciclo día-noche, variaciones por nubosidad).
• El almacenamiento de la energía eléctrica generada a partir del sol a gran escala sigue siendo un desafío tecnológico y económico.
• La utilización a gran escala de la energía solar requiere sistemas de captación de gran superficie, lo que puede generar un impacto paisajístico importante.

En la actualidad se estudian y utilizan varios sistemas para captar la energía solar. Los más extendidos son el fototérmico y el fotovoltaico.

A) Sistema Fototérmico

Consiste en captar la energía de la radiación solar para calentar un fluido (generalmente agua o aceite). La energía térmica almacenada en el fluido puede usarse directamente (calefacción, agua caliente sanitaria) o para generar electricidad (centrales termosolares). El colector suele ser de color negro, ya que este color absorbe eficientemente la energía luminosa y la transforma en calor. A menudo, el conjunto está cubierto con un vidrio para reducir las pérdidas de calor por convección y radiación (efecto invernadero localizado).

B) Sistema Fotovoltaico

Transforma directamente la luz solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico, que ocurre en materiales semiconductores. La luz interacciona con los electrones del semiconductor, liberando algunos de ellos y creando un “hueco” (una zona con densidad de carga positiva). El movimiento ordenado de estos electrones y huecos bajo la influencia de un campo eléctrico interno genera una corriente eléctrica.

La sustancia semiconductora más utilizada es el silicio. Los aparatos que llevan a cabo esta conversión reciben el nombre de células fotovoltaicas, que se agrupan en módulos o paneles solares. Este sistema presenta algunos inconvenientes históricos, como la necesidad de silicio de alta pureza (que encarecía el proceso) y una eficiencia de conversión limitada, aunque ambas han mejorado significativamente con la tecnología.

En la actualidad, tanto las centrales fototérmicas como las fotovoltaicas han reducido drásticamente sus costes y mejorado su rendimiento, aunque la inversión inicial puede ser considerable.

Aplicaciones de la Energía Solar

La energía solar, junto con la eólica, son las fuentes renovables con mayor potencial de crecimiento en muchos países. Sus aplicaciones más frecuentes son:

• Aplicaciones remotas: Suministro eléctrico en lugares aislados de la red, donde llevar el tendido eléctrico sería muy costoso (señales de tráfico, repetidores de telecomunicaciones, electrificación rural aislada, bombeo de agua).
• Usos rurales: Compite con los grupos electrógenos diésel. Se usa en aplicaciones de riego, tareas mecánicas y electrificación de viviendas y granjas.
• Generación a gran escala (Plantas Solares): Conectadas a la red eléctrica. El desarrollo de grandes centrales fotovoltaicas y termosolares está ligado a la mejora tecnológica, la reducción de costes y las políticas de apoyo a las renovables.
• Autoconsumo: Instalaciones en tejados de viviendas, edificios comerciales e industriales para cubrir parte de las necesidades energéticas propias.

Inconvenientes de la Energía Solar a Gran Escala

• Impacto visual y uso del suelo: Las grandes plantas requieren extensiones significativas de terreno.
• Intermitencia: La producción depende de la radiación solar (día/noche, clima).
• Almacenamiento: Necesidad de sistemas de almacenamiento (baterías) para garantizar el suministro continuo, lo que incrementa el coste.
• Sombreamiento: La superficie ocupada por los paneles no puede usarse para otros fines que requieran sol directo (agricultura tradicional).

Ventajas de la Energía Solar

• Combustible gratuito e inagotable: El sol es una fuente de energía virtualmente ilimitada a escala humana.
• Independencia energética: Reduce la dependencia de combustibles fósiles importados.
• Bajo impacto ecológico en operación: No emite gases de efecto invernadero ni contaminantes atmosféricos durante su funcionamiento.
• Energía autóctona y limpia.
• Modularidad: Se pueden construir instalaciones de muy diversos tamaños.

3. Aprovechamiento Energético: La Energía Eólica

La energía eólica deriva indirectamente de la energía solar. La radiación solar, absorbida irregularmente por la superficie terrestre y la atmósfera, origina masas de aire con diferentes temperaturas y, por tanto, diferentes densidades y presiones. El desplazamiento de estas masas de aire para equilibrar las diferencias de presión da lugar al viento.

La energía eólica es una de las fuentes de energía renovables con mayor potencial y desarrollo tecnológico. Los principales problemas para su explotación son su aleatoriedad (la velocidad del viento varía constantemente) y su dispersión, además de la necesidad de almacenar la electricidad producida o gestionar su integración en la red eléctrica.

Los aparatos que se emplean para transformar la energía cinética del viento en electricidad se llaman aerogeneradores. Están provistos de dos o tres palas que giran por la acción del viento, acopladas a un generador eléctrico. Debido a que la velocidad del viento generalmente aumenta con la altura sobre el suelo, estos aparatos suelen ir montados sobre torres de varias decenas (o incluso más de cien) metros de altura.

Ventajas e Inconvenientes de la Energía Eólica

• Inconvenientes:
  • Fuerte impacto visual y paisajístico.
  • Contaminación acústica (ruido de las palas).
  • Posible mortalidad de aves y murciélagos por colisión con las palas.
  • Intermitencia (dependencia de la velocidad del viento).
• Ventajas:
  • Energía limpia (no emite contaminantes en operación) e inagotable.
  • Coste de generación competitivo, a menudo inferior al de los combustibles fósiles.
  • Tecnología madura y eficiente.
  • Contribuye a la independencia energética.

4. Contaminación Atmosférica

4.1. Contaminantes Atmosféricos: Definición y Clasificación

Son sustancias, compuestos o formas de energía (como el ruido o las radiaciones) que se encuentran presentes en el aire en concentraciones o niveles tales que pueden causar daños, riesgos o molestias a personas, animales, vegetación o materiales.

Los contaminantes los podemos clasificar atendiendo a su origen y a su naturaleza:

1. Según su origen

• Contaminantes biogénicos (o naturales): Son aquellos debidos únicamente a fuentes naturales. Provienen de volcanes (cenizas, SO₂), incendios forestales (humos, CO, CO₂), descomposición de la materia orgánica en el suelo y océanos (CH₄, H₂S), tormentas de polvo, etc.
• Contaminantes antropogénicos: Son aquellos derivados de las actividades humanas. Los principales focos antropogénicos se clasifican según la posición del foco de emisión:
  • Focos fijos: Instalaciones industriales, centrales térmicas, calefacciones domésticas, incineradoras.
  • Focos móviles: Vehículos (coches, camiones, aviones, barcos).
  • Focos mixtos (o de área): Emisiones difusas de zonas urbanas o industriales (combinación de tráfico, calefacciones, pequeñas industrias).

2. Según su naturaleza

• I) Contaminantes químicos: Se clasifican en dos tipos:
  • A) Contaminantes primarios: Son aquellas sustancias vertidas directamente a la atmósfera desde las fuentes de emisión, que actúan como contaminantes por sí mismos sin necesidad de transformación química. Los más representativos son: partículas en suspensión (polvo, hollín), SO₂, SO₃, CO, CO₂, NH₃, H₂S, NO, NO₂, hidrocarburos (HC), metales pesados (Pb, Cd, Hg), CFCs.
  • B) Contaminantes secundarios: Son aquellos que no se emiten directamente, sino que se forman en la atmósfera por la interacción química entre contaminantes primarios, componentes naturales del aire (como O₂, H₂O) y la radiación solar. Se denomina precursor a aquel contaminante primario emitido directamente que, tras diversas reacciones, da lugar a contaminantes secundarios. Ejemplos importantes son: ozono troposférico (O₃), nitrato de peroxiacetilo (PAN), ácido sulfúrico (H₂SO₄) y ácido nítrico (HNO₃) (responsables de la lluvia ácida), aldehídos.
• II) Contaminación física: Es debida a la presencia de formas de energía o variaciones en las características físicas de la atmósfera. Destacan:
  • A) Radiaciones ionizantes: Son radiaciones electromagnéticas (rayos X, gamma) o corpusculares (partículas alfa, beta) capaces de ionizar átomos o moléculas de la materia sobre la que inciden, pudiendo causar daños biológicos graves. Su origen natural se encuentra en procesos radiactivos naturales (radón) y en radiaciones cósmicas. Su origen antrópico se encuentra principalmente en actividades médicas (radiografías, radioterapia), industriales (medidores nucleares), centrales nucleares (fugas accidentales, residuos) y pruebas de armas nucleares.
  • B) Radiaciones no ionizantes: Incluyen la radiación ultravioleta (UV), infrarroja (IR), microondas y radiofrecuencias (campos electromagnéticos generados por líneas de alta tensión, antenas de telefonía móvil, electrodomésticos). No modifican la estructura íntima de la materia al no provocar la ionización de los átomos. Los efectos que producen dependen de la intensidad del campo electromagnético generado y del tiempo de exposición a las mismas, pudiendo producir calentamiento de tejidos (microondas) o posibles alteraciones nerviosas como ansiedad, cefaleas, insomnio, etc., aunque los efectos a largo plazo de bajas exposiciones son objeto de debate científico.
  • C) Ruido: Se define como un sonido no deseado y molesto. Sus efectos son muy subjetivos y están condicionados por la frecuencia e intensidad del sonido, el tiempo de exposición al mismo y la edad y sensibilidad del receptor. Puede provocar pérdida de audición, alteraciones nerviosas (estrés, irritabilidad), problemas cardiovasculares, dificultades de concentración, alteraciones del sueño, etc.

4.2. Factores que Intensifican la Contaminación Local

Para conocer la evolución de las concentraciones de los contaminantes en un lugar determinado, es importante saber cómo se difunden, cómo se transportan y cuándo se acumulan en la atmósfera. En estos procesos juega un papel fundamental la meteorología y la geografía local. La dispersión (o acumulación) en la atmósfera de los contaminantes desde las fuentes de emisión depende de los siguientes factores:

1) Las características de las emisiones

Este factor viene determinado por la naturaleza del contaminante (gas o partícula), su concentración inicial, su temperatura de emisión y sus características fisicoquímicas (densidad, reactividad). Recordemos que cuando la temperatura de emisión de un gas es mayor que la del aire circundante, el gas tiende a ascender, favoreciendo su dispersión inicial (penacho de la chimenea). Podemos incluir también la altura del foco emisor (chimenea): a mayor altura, mayor posibilidad de superar capas de inversión térmica cercanas al suelo y mayor facilidad para la dispersión del contaminante en capas altas con vientos más fuertes.

2) Las condiciones atmosféricas

La situación meteorológica determina el estado y movimiento de las masas de aire, lo que condiciona la estabilidad o inestabilidad atmosféricas, que facilitan o dificultan la dispersión de la contaminación.

• Las situaciones anticiclónicas (alta presión, subsidencia de aire, vientos flojos) suelen asociarse a estabilidad atmosférica, lo que dificulta la dispersión vertical de los contaminantes y puede provocar un aumento de sus niveles de inmisión (concentración a nivel del suelo), especialmente en invierno.
• Las situaciones ciclónicas (baja presión, aire ascendente, vientos más fuertes) suelen asociarse a inestabilidad atmosférica, lo que facilita la dispersión vertical y horizontal de la contaminación.

Entre los factores atmosféricos específicos destacan:

• La temperatura del aire y sus variaciones con la altura (GVT): Determinan los movimientos verticales de las masas de aire y, por tanto, las condiciones de estabilidad o inestabilidad. En condiciones normales (GVT negativo), el aire caliente cerca del suelo tiende a subir, dispersando los contaminantes. Sin embargo, las inversiones térmicas (capas donde la temperatura aumenta con la altitud) actúan como una tapadera, dificultando la dispersión vertical de la contaminación al impedirse el ascenso del aire más frío (y contaminado) atrapado en las capas inferiores, produciéndose el estancamiento y acumulación de los contaminantes cerca del suelo.
• Los vientos: Son elementos de gran importancia en la dispersión horizontal de contaminantes. Su influencia depende de su dirección (señala la zona hacia la que se desplazan los contaminantes), velocidad (a mayor velocidad, mayor dilución y dispersión) y turbulencia (favorece la mezcla con aire limpio, aunque puede provocar fluctuaciones en las concentraciones). La ausencia de viento (calma) es muy desfavorable para la dispersión.
• Precipitaciones (lluvia, nieve): Producen un efecto de lavado atmosférico, al arrastrar parte de los contaminantes (partículas y gases solubles) hacia el suelo. La eficacia de este lavado dependerá de la intensidad y duración de las precipitaciones, del tamaño de las partículas contaminantes y del tamaño de las gotas de agua. Hay que destacar también que las condiciones atmosféricas que suelen acompañar a las precipitaciones (inestabilidad, viento) ya favorecen de por sí la dispersión. Un efecto negativo asociado es la lluvia ácida (ver sección 4.3.5).
• Insolación (radiación solar): Es un factor clave en la formación de contaminantes secundarios fotoquímicos (como el ozono troposférico) a partir de contaminantes primarios (NOx, COV). La alta insolación en verano, combinada con emisiones de precursores y estabilidad atmosférica, favorece los episodios de smog fotoquímico.

3) Características geográficas y topográficas

La situación geográfica y el relieve tienen una influencia significativa en los vientos locales y en la dispersión de contaminantes:

• En las zonas costeras: Se originan las brisas marinas y terrestres debido al diferente calentamiento del mar y la tierra. Durante el día, la brisa marina (del mar a la tierra) puede desplazar los contaminantes emitidos en la costa hacia el interior. Por la noche, la brisa terrestre (de la tierra al mar) puede devolver parte de esa contaminación hacia el mar, estableciéndose un ciclo que puede recircular los contaminantes sobre la zona.
• La presencia de grandes masas vegetales (bosques, parques): Disminuye la cantidad de contaminación en el aire al facilitar la deposición seca de partículas y la absorción de algunos gases. Además, la vegetación absorbe CO₂ para realizar la fotosíntesis, aunque su capacidad para mitigar la contaminación atmosférica a gran escala es limitada.
• En zonas de valles y laderas: Se generan las llamadas brisas de valle y montaña, como consecuencia del diferente calentamiento y enfriamiento de las laderas y los fondos de valle durante el ciclo día-noche. Estas brisas pueden transportar contaminantes valle arriba durante el día y acumularlos en el fondo del valle durante la noche, especialmente si se combina con una inversión térmica. Los valles cerrados son propensos a la acumulación de contaminantes.
• La presencia de núcleos urbanos: La rugosidad creada por los edificios contribuye a disminuir o frenar la velocidad del viento en las capas bajas y aumenta la turbulencia. Además, las ciudades generan el fenómeno conocido como isla de calor urbana: debido a la absorción de calor por los materiales de construcción (asfalto, hormigón), la falta de vegetación y el calor residual de actividades humanas (tráfico, calefacción, aire acondicionado), la temperatura en el centro urbano puede ser varios grados Celsius (hasta 9 °C o más en casos extremos) superior a la de las zonas rurales circundantes, especialmente por la noche y en condiciones de calma anticiclónica. Las islas de calor pueden modificar los patrones de viento locales (brisas urbanas) y, en ciertas condiciones, intensificar la formación de contaminantes secundarios o atrapar la contaminación bajo una capa de inversión elevada.

Medidas correctoras para la isla de calor:

• Aumentar las zonas verdes y el arbolado urbano.
• Utilizar materiales de construcción con alto albedo (colores claros) en techos y pavimentos.
• Instalar jardines en techos (azoteas verdes).

4.3. Los Grandes Impactos Globales y Regionales

4.3.1. Smogs

El smog (término derivado del inglés smoke -humo- y fog -niebla-) es un fenómeno de contaminación atmosférica que se caracteriza por la formación de nieblas (o brumas secas) cargadas de sustancias nocivas para la salud y el medio ambiente, reduciendo la visibilidad.

• A) Smog clásico, industrial o ácido: Está formado principalmente por una mezcla de dióxido de azufre (SO₂), partículas en suspensión (hollín, cenizas) y niebla (gotitas de agua). Se produce típicamente en ciudades frías y húmedas con alto consumo de carbón y otros combustibles fósiles con alto contenido en azufre, principalmente en invierno y asociado a situaciones de inversión térmica. Los contaminantes clave (SO₂ y partículas) son primarios. Las partículas actúan como núcleos de condensación del vapor de agua, y el SO₂ puede disolverse en las gotitas y oxidarse a ácido sulfúrico (H₂SO₄), formando aerosoles ácidos. Produce graves afecciones respiratorias (bronquitis, asma), irritaciones oculares y deteriora las hojas de las plantas y los materiales de construcción (mal de la piedra). El ejemplo histórico más famoso es el Gran Smog de Londres de 1952.
• B) Smog fotoquímico: Es característico de ciudades soleadas, cálidas y secas con intenso tráfico vehicular. Está formado por una nube de oxidantes fotoquímicos, principalmente ozono troposférico (O₃), nitrato de peroxiacetilo (PAN) y aldehídos. Estos son contaminantes secundarios que se originan por reacciones químicas complejas inducidas por la luz solar (fotooxidación) entre contaminantes primarios: óxidos de nitrógeno (NOx) e hidrocarburos volátiles (COV), emitidos principalmente por los tubos de escape de los vehículos y, en menor medida, por industrias y disolventes. Cuando existen hidrocarburos (COV), el ciclo fotolítico natural del NO₂ se desequilibra: los radicales libres generados a partir de los COV reaccionan con el NO, oxidándolo rápidamente a NO₂, lo que impide que el NO reaccione con el O₃ y provoca una acumulación neta de ozono. Este tipo de smog tiene un color pardo-rojizo (debido al NO₂) y causa irritación ocular y de las vías respiratorias, daños a la vegetación y degradación de materiales (caucho, tejidos).

4.3.2. Efecto Invernadero (Incremento y Consecuencias)

Como se mencionó (sección 2.3), el efecto invernadero natural es esencial para la vida. El problema actual es su intensificación debido al aumento de las concentraciones atmosféricas de GEI por causas antropogénicas.

La atmósfera deja pasar la luz visible e infrarroja de onda corta que llega del Sol. La mayor parte de ella es absorbida por la superficie terrestre, que se calienta y posteriormente vuelve a emitir energía en forma de radiación infrarroja de onda larga. Los GEI (H₂O, CO₂, CH₄, N₂O, O₃ troposférico, CFCs) absorben parte de esta radiación infrarroja saliente, impidiendo que escape directamente al espacio. Esta energía atrapada se transforma en calor, actuando como una “manta” que impide que la Tierra se enfríe excesivamente.

Actualmente, las concentraciones de los GEI de larga duración en la atmósfera son las más elevadas en cientos de miles de años. La cantidad de calor que atrapan y, por tanto, su contribución al efecto invernadero, está en función de sus concentraciones atmosféricas, su tiempo de permanencia en la atmósfera y su capacidad específica para absorber los rayos infrarrojos (potencial de calentamiento global).

El principal gas responsable del incremento del efecto invernadero es el dióxido de carbono (CO₂), contribuyendo entre el 55% y el 80% del calentamiento adicional. Aunque forma parte natural del aire y es esencial para la fotosíntesis, su ciclo natural se desequilibra por la inyección masiva de CO₂ procedente de la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural), la deforestación y la producción de cemento, que no puede ser completamente absorbido por la acción conjunta de la fotosíntesis vegetal y el almacenamiento oceánico y terrestre.

El segundo gas en importancia es el metano (CH₄), responsable de alrededor del 20% del calentamiento adicional. Sus concentraciones han aumentado significativamente en los últimos años debido a fuentes antrópicas como la agricultura (cultivo de arroz, ganadería -fermentación entérica-), la gestión de residuos (vertederos) y las fugas en la extracción y distribución de combustibles fósiles.

Otros gases importantes son el óxido nitroso (N₂O) (agricultura -fertilizantes nitrogenados-, procesos industriales) y los gases fluorados sintéticos como los clorofluorocarbonos (CFCs) y sus sustitutos (HCFCs, HFCs), que aunque presentes en menor concentración, tienen un potencial de calentamiento global muy elevado por molécula. Además, los CFCs también destruyen la capa de ozono en la estratosfera.

La principal manifestación del incremento del efecto invernadero es un calentamiento global significativo de la atmósfera y los océanos terrestres, que a su vez desencadena el cambio climático. Una de las consecuencias más directas y evidentes del cambio climático es la subida del nivel medio del mar. Al aumentar la temperatura atmosférica y oceánica, se produce la expansión térmica del agua del mar y la fusión de glaciares y casquetes polares (Groenlandia, Antártida), añadiendo agua a los océanos.

Los efectos de la subida del nivel del mar serán múltiples y graves, especialmente para las zonas costeras bajas y las islas pequeñas:

• Inundación permanente de áreas costeras bajas y humedales.
• Mayor alcance de las inundaciones temporales durante tormentas y mareas altas.
• Aumento de la erosión costera (retroceso de playas y acantilados).
• Salinización de los acuíferos costeros de agua dulce, afectando al suministro de agua potable y a la agricultura.
• Daños a infraestructuras costeras (puertos, carreteras, edificios).
• Pérdida de hábitats costeros (manglares, arrecifes de coral).

4.3.3. El Ozono Troposférico

Como se indicó, el ozono (O₃) es uno de los contaminantes secundarios clave que se forman en la atmósfera urbana y que caracteriza el smog fotoquímico. Mientras que el ozono estratosférico es beneficioso, el ozono a nivel del suelo (troposférico) es perjudicial para la salud humana, la vegetación y los materiales.

La concentración media natural de ozono en las partes bajas de la atmósfera (troposfera) es baja, alrededor de 0.03 ppm (partes por millón). Sin embargo, en episodios de contaminación en áreas urbanas y suburbanas, especialmente durante el verano y en situaciones de alta insolación y estabilidad atmosférica, se pueden alcanzar niveles de ozono superiores a los umbrales de protección de la salud (por ejemplo, 0.12 ppm promediado en 1 hora, o umbrales más bajos para promedios de 8 horas, según la legislación).

Su velocidad de formación depende de la concentración de sus precursores (NOx y COV) y de la intensidad de la radiación solar. Los niveles de ozono presentan una variación diaria característica:

• A primeras horas de la mañana: La gran afluencia de vehículos motorizados y, en invierno, las calefacciones, produce un fuerte incremento en la emisión de COV, NO y NO₂. A estas horas, la insolación es mínima, y el NO emitido puede incluso reaccionar con el poco ozono presente, disminuyendo su concentración.
• Conforme avanza el día: Aumenta la insolación y con ello la actividad fotoquímica. El NO se oxida rápidamente a NO₂ (tanto por reacción con O₃ como por reacciones con radicales derivados de los COV). La fotólisis del NO₂ (NO₂ + luz solar → NO + O) libera átomos de oxígeno (O) que reaccionan con el oxígeno molecular (O₂) para formar ozono (O + O₂ → O₃). Como la reacción del NO con los radicales derivados de los COV es más rápida que la reacción del NO con el O₃, se produce una acumulación neta de O₃, alcanzando valores máximos típicamente a primera hora de la tarde, cuando la insolación es máxima y las concentraciones de precursores aún son elevadas.
• A partir del mediodía/tarde: La concentración de ozono comienza a disminuir gradualmente. Esto se debe a la disminución de la intensidad solar (menor formación), a la deposición seca sobre superficies, a la dilución por mezcla atmosférica y a ciertas reacciones químicas en las que el ozono manifiesta su gran poder oxidante (reaccionando con NO emitido por el tráfico de la tarde, con COV, etc.).
• Durante la noche: En ausencia de luz solar, la formación de ozono cesa. El ozono residual reacciona con el NO emitido durante la noche y con otros compuestos, por lo que sus niveles suelen ser los más bajos justo antes del amanecer.

El ozono troposférico es un problema regional, ya que tanto él como sus precursores pueden ser transportados por el viento a largas distancias, afectando a zonas rurales y suburbanas lejos de las fuentes de emisión originales.

4.3.4. El Ozono Estratosférico (y su destrucción)

La formación natural del ozono (O₃) se da principalmente en la alta estratosfera (entre 25 y 35 km de altitud), sobre todo en la región ecuatorial, donde la radiación solar, y por lo tanto también la radiación ultravioleta (UV), es más intensa durante todo el año. Luego es transportado por la circulación atmosférica global hacia latitudes medias y altas.

La radiación ultravioleta se suele clasificar según su longitud de onda:

• UV-C (100-280 nm): La más energética y peligrosa, pero es completamente absorbida por el oxígeno (O₂) y el ozono (O₃) en la alta atmósfera.
• UV-B (280-315 nm): Parcialmente absorbida por la capa de ozono. Es la principal responsable de las quemaduras solares y aumenta el riesgo de cáncer de piel y cataratas.
• UV-A (315-400 nm): La menos energética, atraviesa la capa de ozono casi en su totalidad. Contribuye al envejecimiento de la piel y puede tener otros efectos a largo plazo.

Casi el 99% de la radiación ultravioleta potencialmente dañina del Sol (principalmente UV-C y la mayor parte de UV-B) que alcanza la estratosfera es absorbida y convertida en calor mediante un conjunto de reacciones químicas (ciclo de Chapman) que continuamente crean y destruyen moléculas de ozono, manteniendo un equilibrio dinámico. Este proceso protege la vida en la superficie terrestre de los efectos nocivos de esta radiación.

Sin embargo, este equilibrio natural se ha visto alterado por la emisión de ciertos compuestos químicos de origen humano, principalmente los clorofluorocarbonos (CFCs) y los halones (compuestos bromados), utilizados en el pasado en refrigeración, aerosoles, espumas aislantes y extintores. Estas sustancias, muy estables en la troposfera, ascienden hasta la estratosfera, donde la intensa radiación UV las descompone, liberando átomos de cloro (Cl) y bromo (Br). Estos átomos actúan como catalizadores muy eficientes en ciclos de reacciones que destruyen masivamente las moléculas de ozono, mucho más rápido de lo que se forman naturalmente. Un solo átomo de cloro puede destruir miles de moléculas de ozono antes de ser eliminado de la estratosfera. Esto ha provocado una disminución general de la capa de ozono a nivel global y la formación del”agujero de ozon” sobre la Antártida cada primavera austral.

Gracias al Protocolo de Montreal (1987) y sus enmiendas posteriores, la producción y uso de estas sustancias destructoras de ozono (SDO) se ha reducido drásticamente a nivel mundial. Se espera que la capa de ozono se recupere gradualmente a lo largo del siglo XXI, aunque el proceso es lento debido a la larga vida atmosférica de estos compuestos.

4.3.5. La Lluvia Ácida

Se denomina lluvia ácida a cualquier forma de precipitación (lluvia, nieve, granizo, niebla) que tenga una acidez anormalmente alta, es decir, un pH inferior a 5.5-5.6 (valor considerado normal para la lluvia debido al CO₂ atmosférico disuelto que forma ácido carbónico débil).

La lluvia ácida contiene principalmente una disolución de ácido sulfúrico (H₂SO₄) y ácido nítrico (HNO₃). Estos ácidos se forman en la atmósfera a partir de la oxidación y posterior reacción con el agua de los óxidos de azufre (SO₂) y los óxidos de nitrógeno (NOx), emitidos principalmente por la quema de combustibles fósiles en centrales térmicas, industrias y vehículos. Estos gases precursores (SO₂ y NOx) se disuelven en las gotas de agua de las nubes (o reaccionan en fase gaseosa y luego se disuelven los ácidos formados) y llegan a la superficie terrestre con las precipitaciones (deposición húmeda). También pueden depositarse directamente sobre superficies en forma de gases o partículas (deposición seca), y luego formar ácidos al contacto con la humedad.

La lluvia ácida es, en cierto modo, una consecuencia de los mecanismos de autolimpieza de la atmósfera, que eliminan estos contaminantes del aire, pero los transfieren al suelo y al agua. Es un problema transfronterizo, ya que los contaminantes precursores pueden ser transportados por el viento a cientos o miles de kilómetros de sus focos de emisión antes de depositarse.

La lluvia ácida es cada vez más controlada en muchos países desarrollados gracias a las medidas de reducción de emisiones de SO₂ y NOx, pero sigue siendo un problema grave en otras regiones del mundo. Sus efectos negativos son múltiples y se manifiestan normalmente en amplias zonas, a menudo muy distantes de las fuentes emisoras.

4.3.5.1. Efectos de la Lluvia Ácida

• Acidificación de lagos y ríos: Afecta gravemente a la fauna acuática (peces, anfibios, invertebrados), pudiendo causar la desaparición de especies sensibles.
• Daños a los bosques: Debilita los árboles (dañando las hojas y las raíces), los hace más vulnerables a plagas, enfermedades y condiciones climáticas adversas, y puede llevar a la defoliación y muerte del bosque (fenómeno del”mal del bosqu” observado en Europa y Norteamérica).
• Acidificación de los suelos: Libera metales tóxicos (como el aluminio) que pueden dañar las raíces de las plantas y contaminar las aguas. Reduce la disponibilidad de nutrientes esenciales para las plantas (como calcio y magnesio).
• Deterioro de materiales: Corroe edificios y monumentos de piedra caliza y mármol “mal de la piedr”), metales, pinturas y otros materiales de construcción.
• Impactos en la salud humana: Aunque la lluvia ácida en sí no suele ser directamente perjudicial al contacto, los contaminantes precursores (SO₂, NOx, partículas finas) sí tienen efectos respiratorios y cardiovasculares. Además, la acidificación puede movilizar metales tóxicos que entren en la cadena alimentaria o en el agua potable.

4.4. Medidas de Prevención y Corrección de la Contaminación Atmosférica

Entre las distintas acciones destinadas a disminuir o corregir el problema de la contaminación del aire destacan las siguientes:

1) Medidas preventivas

Encaminadas a evitar la aparición del problema o a minimizar la generación de contaminantes en origen. Son las más eficaces a largo plazo.

• Planificación de usos del suelo: Mediante los planes de ordenación del territorio, contemplar los lugares idóneos para establecer industrias potencialmente contaminantes, considerando los vientos dominantes, la topografía y la proximidad a núcleos de población o ecosistemas sensibles, para minimizar sus efectos. Fomentar un urbanismo sostenible que reduzca las necesidades de transporte.
• Evaluaciones de impacto ambiental (EIA): Realizar estudios previos de las alteraciones que sobre el medio ambiente en general, y sobre la atmósfera en particular, van a provocar la realización de determinadas acciones, planes o proyectos (industrias, infraestructuras, etc.), con el fin de identificar los posibles impactos negativos y establecer medidas preventivas y correctoras que los mitiguen antes de que aquellos se lleven a cabo.
• Empleo de tecnologías limpias y de baja o nula emisión de residuos: Fomentar el desarrollo y la adopción de procesos productivos más eficientes, que consuman menos energía y materias primas, y que generen menos contaminantes en origen (prevención en la fuente).
• Ahorro y eficiencia energética: Reducir el consumo de energía en todos los sectores (industria, transporte, edificios) disminuye la necesidad de quemar combustibles fósiles y, por tanto, las emisiones asociadas.
• Uso de energías renovables: Sustituir los combustibles fósiles por fuentes de energía limpias (solar, eólica, geotérmica, etc.) que no emitan contaminantes atmosféricos ni gases de efecto invernadero durante su operación.
• Mejora de combustibles: Utilizar combustibles con menor contenido de azufre, eliminar el plomo de las gasolinas, desarrollar biocombustibles sostenibles.
• Gestión del transporte: Fomentar el transporte público, la bicicleta y los desplazamientos a pie; mejorar la eficiencia de los vehículos; promover los vehículos eléctricos (si la electricidad se genera de forma limpia); optimizar el flujo del tráfico.
• Educación y concienciación ambiental: Informar a la población sobre las causas y consecuencias de la contaminación atmosférica y promover cambios en los hábitos de consumo y comportamiento.

2) Medidas correctoras (o de control al final del proceso)

Se aplican una vez que se han generado los contaminantes, para evitar su descarga masiva a la atmósfera. Suelen ser necesarias cuando las medidas preventivas no son suficientes o tecnológicamente viables.

• Concentración y retención de contaminantes (depuración de gases): Utilizar equipos adecuados de depuración en las chimeneas industriales y otras fuentes fijas para capturar los contaminantes antes de que salgan al exterior. Algunos métodos incluyen:
  • Para partículas: Separadores de inercia (ciclones), filtros de mangas (tejido), precipitadores electrostáticos (ESP), lavadores húmedos (scrubbers).
  • Para gases:
    • Absorción: Hacer circular los gases contaminados a través de un líquido capaz de disolver selectivamente el contaminante (ej: desulfuración de gases de combustión mediante lechada de cal).
    • Adsorción: Utilizar materiales sólidos porosos (como carbón activo) que retienen selectivamente los contaminantes gaseosos en su superficie.
    • Combustión (incineración térmica u oxidativa): Quemar los contaminantes orgánicos gaseosos a alta temperatura para convertirlos en CO₂ y H₂O (puede requerir el uso de antorchas o quemadores).
    • Reducción catalítica: Transformar contaminantes tóxicos en compuestos no tóxicos mediante reacciones químicas en presencia de un catalizador (ej: convertidores catalíticos en vehículos para reducir NOx, CO y HC; reducción selectiva catalítica -SCR- para NOx en industrias).
  Este enfoque tiene el inconveniente de que a menudo transfiere la contaminación de un medio (aire) a otro (agua o suelo), ya que se generan residuos líquidos (lodos de depuración) o sólidos (cenizas, filtros usados) que deben ser gestionados adecuadamente.
• Estrategias de dispersión: Expulsar los contaminantes a través de chimeneas muy altas. Esto no reduce la cantidad total de contaminante emitido, pero ayuda a diluirlo en un mayor volumen de aire y a transportarlo lejos de la fuente, reduciendo las concentraciones a nivel local (cerca del suelo). Sin embargo, esta estrategia puede provocar problemas de contaminación (como lluvia ácida o transporte de ozono) en lugares alejados de las fuentes de emisión originales. Es una solución cada vez menos aceptada como única medida.

Tabla Resumen de Contaminantes Atmosféricos Primarios Comunes