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CONTAMINACIÓN DEL AIRE Y LLUVIA ÁCIDA Diagnóstico del fenómeno en la ciudad de Manizales

JORGE JULIÁN VÉLEZ UPEGUI Ingeniero Civil MARINELA DEL CARMEN VALENCIA GIRALDO Ingeniera Ambiental ADELA LONDOÑO CARVAJAL Ingeniera Química CARLOS MARIO GONZÁLEZ DUQUE Ingeniero Químico JUAN PABLO MARISCAL MORENO Ingeniero Químico

Facultad de IngenierÍa y Arquitectura Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales 2010

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I.S.B.N. 978-958-8280-29-5 ©2010 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES AUTORES: Jorge Julián Vélez Upegui Ingeniero Civil, Dr. en Planificación y Gestión de Recursos Hídricos Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales Facultad de Ingeniería y Arquitectura Marinela del Carmen Valencia Giraldo Master en Medio Ambiente y Desarrollo Adela Londoño Carvajal Ingeniera Química Profesor Asociado, Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales Facultad de Ingeniería y Arquitectura Carlos Mario Duque González Ingeniero Químico Juan Pablo Mariscal Moreno Ingeniero Químico Corrección de Estilo Marta Isabel Serna IMPRESO:

Editorial Blanecolor Ltda

Marzo 2010 Primera edición

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CONTENIDO CONTENIDO----------------------------------------------------------------------------------------------------3 AGRADECIMIENTOS--------------------------------------------------------------------------------------------7 ABSTRACT - RESUMEN----------------------------------------------------------------------------------------9 INTRODUCCIÓN---------------------------------------------------------------------------------------------- 11 CAPÍTULO 1 CONTAMINACIÓN DEL AIRE--------------------------------------------------------------------------------- 13 1.1 Fuentes y clasificación de los contaminantes atmosféricos-------------------------------- 13 1.1.1 Fuentes naturales------------------------------------------------------------------------------- 14 1.1.2 Fuentes antrópicas------------------------------------------------------------------------------ 14 1.1.3 Clasificación de los contaminantes------------------------------------------------------------ 15 1.2 Definición y efectos sobre la salud de algunos contaminantes atmosféricos------------ 16 1.2.1 Material particulado----------------------------------------------------------------------------- 16 1.2.2 Compuestos con azufre SOX-------------------------------------------------------------------- 17 1.2.3 Compuestos con nitrógeno NOx- -------------------------------------------------------------- 17 1.2.4 Hidrocarburos------------------------------------------------------------------------------------ 17 1.2.5 Monóxido de carbono CO----------------------------------------------------------------------- 17 1.2.6 Dióxido de carbono CO2------------------------------------------------------------------------ 18 1.2.7 Ozono troposférico O3-------------------------------------------------------------------------- 18 CAPÍTULO 2 MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE------------------------------------------------------------------- 19 2.1 Monitoreo de la calidad del aire en Latinoamérica y el Caribe----------------------------- 19 2.2 Algunos casos de seguimiento en la región------------------------------------------------- 20 2.2.1 Brasil---------------------------------------------------------------------------------------------- 20 2.2.2 México-------------------------------------------------------------------------------------------- 21 2.2.3 Monitoreo de la calidad del aire en Colombia------------------------------------------------ 21 2.2.3.1 Red de monitoreo de Bogotá------------------------------------------------------------------ 21 2.2.3.2 Red de monitoreo de Cali----------------------------------------------------------------------- 21 2.2.3.3 Red de monitoreo de Medellín----------------------------------------------------------------- 21 2.2.3.4 La calidad del aire en Manizales--------------------------------------------------------------- 22

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CAPÍTULO 3 LLUVIA ÁCIDA------------------------------------------------------------------------------------------------- 27 3.1 Definición----------------------------------------------------------------------------------------- 27 3.1.1 Precipitación ácida seca------------------------------------------------------------------------ 27 3.1.2 Precipitación ácida húmeda-------------------------------------------------------------------- 27 3.2 Antecedentes del conocimiento sobre la lluvia ácida y de las medidas ambientales para su monitoreo y control---------------------------------------------------- 29 3.3 Estudio de la precipitación ácida en Europa------------------------------------------------- 33 3.4 Svante Oden y la evolución en la investigación de la lluvia ácida en europa------------ 34 3.5 Estudio de la precipitación ácida en Norte América---------------------------------------- 36 3.6 Estudio de la sedimentación ácida en Asia--------------------------------------------------- 37 3.7 Química de la lluvia ácida----------------------------------------------------------------------- 38 3.7.1 Generación de ácido sulfúrico H2SO4---------------------------------------------------------- 39 3.7.1.1 Fase gaseosa------------------------------------------------------------------------------------ 39 3.7.1.2 Fase líquida-------------------------------------------------------------------------------------- 39 3.7.2 Generación de ácido nítrico HNO3------------------------------------------------------------- 40 3.7.3 Procesos de generación de los ácidos sulfúrico y nítrico en la troposfera-------------- 40 3.7.4 Ácido clorhídrico HCl---------------------------------------------------------------------------- 41 3.7.5 El papel del amoniaco en la generación de acidez------------------------------------------ 42 3.8 Efectos ambientales de la lluvia ácida-------------------------------------------------------- 43 3.8.1 Efectos en suelos y vegetación---------------------------------------------------------------- 44 3.8.2 Efectos en sistemas acuáticos----------------------------------------------------------------- 45 3.8.3 Efectos en la salud humana-------------------------------------------------------------------- 46 3.8.4 Efectos en construcciones y materiales------------------------------------------------------ 46 3.8.5 Reducción de la visibilidad--------------------------------------------------------------------- 49 3.9 La meteorología en la lluvia ácida------------------------------------------------------------- 49 3.9.1 Composición de la atmósfera------------------------------------------------------------------ 50 3.9.2 Nociones básicas de meteorología------------------------------------------------------------ 51 3.9.3 La circulación tropical--------------------------------------------------------------------------- 53 3.9.4 Comportamiento de la lluvia ácida con respecto a la meteorología---------------------- 54 CAPÍTULO 4 DIAGNÓSTICO Y ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LA LLUVIA ÁCIDA EN LA CIUDAD DE MANIZALES--------------------------------------------------------------------------------- 57 4.1 Generalidades de la ciudad de Manizales---------------------------------------------------- 58 4.2 Metodología del monitoreo--------------------------------------------------------------------- 59 4.2.1 Depósitos húmedos----------------------------------------------------------------------------- 59 4.2.2 Depósitos secos--------------------------------------------------------------------------------- 62 4.3 Comportamiento meteorológico para la ciudad de Manizales----------------------------- 63 4.3.1 Evolución espacio temporal de la lluvia------------------------------------------------------- 63 4.3.2 Análisis de datos desde abril 10 al 13 de 2008-------------------------------------------- 70 4.3.3 Análisis de datos desde mayo 20 al 25 de 2008------------------------------------------- 72 4.3.4 Análisis espacio-temporal para la ciudad de Manizales------------------------------------ 75 4.4 Análisis de depósitos húmedos---------------------------------------------------------------- 90

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4.4.1 4.4.2 4.4.2.1 4.4.2.2 4.4.2.3 4.4.2.4 4.4.2.5 4.4.2.6 4.5 4.5.1 4.5.1.1 4.5.1.2 4.5.1.3 4.5.2 4.5.2.1 4.5.2.2 4.5.2.3 4.5.3 4.5.3.1 4.5.3.2 4.5.3.3 4.5.4 4.5.4.1 4.5.4.2 4.5.4.3 4.6 4.7 4.8

Resultados por evento-------------------------------------------------------------------------- 90 Valores medios por estación------------------------------------------------------------------- 91 pH------------------------------------------------------------------------------------------------- 91 Concentración de sulfatos---------------------------------------------------------------------- 92 Concentración de nitratos---------------------------------------------------------------------- 92 Conductividad eléctrica------------------------------------------------------------------------- 93 Interacción de los parámetros principales--------------------------------------------------- 94 Variabilidad espacial de los parámetros principales---------------------------------------- 95 Análisis conjunto de variables fisicoquímicas y meteorológicas--------------------------- 97 Relación entre variables fisicoquímicas------------------------------------------------------- 99 Precipitación----------------------------------------------------------------------------------- 102 Altitud------------------------------------------------------------------------------------------- 105 Núcleos de condensación-------------------------------------------------------------------- 107 Relación entre variables meteorológicas y fisicoquímicas-------------------------------- 110 Precipitación----------------------------------------------------------------------------------- 110 Altitud------------------------------------------------------------------------------------------- 112 Núcleos de condensación-------------------------------------------------------------------- 113 Análisis de los períodos antecedentes de no lluvia y su relación con las variables fisicoquímicas------------------------------------------------------------------- 114 Precipitación----------------------------------------------------------------------------------- 114 Altitud------------------------------------------------------------------------------------------- 115 Núcleos de condensación-------------------------------------------------------------------- 115 Análisis de la estación idea------------------------------------------------------------------ 116 Relación entre variables fisicoquímicas----------------------------------------------------- 116 Relación entre variables fisicoquímicas y meteorológicas-------------------------------- 117 Clasificación según los períodos antecedentes de no lluvia------------------------------ 117 Lavado atmosférico--------------------------------------------------------------------------- 117 Depósitos secos------------------------------------------------------------------------------- 119 Comparación con otros estudios------------------------------------------------------------ 120

CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS--------------------------------------------------------------------- 121 BIBLIOGRAFÍA---------------------------------------------------------------------------------------------- 125 GLOSARIO - ------------------------------------------------------------------------------------------------- 133 ANEXO 1 - ------------------------------------------------------------------------------------------------- 143 ANEXO 2 - ------------------------------------------------------------------------------------------------- 147

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Agradecimientos a: • La Dirección de Investigación de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, DIMA, quienes mediante la convocatoria “Incorporación de Doctores” han financiado gran parte de esta investigación. • Laboratorio de Química de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, que han analizado las muestras recolectadas durante la investigación. • Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, que han contribuido en el proceso de creación de los equipos colectores de la lluvia. • CORPOCALDAS y la Secretaría de Transporte, quienes amablemente nos brindaron la información disponible. • Instituto de Estudios Ambientales, IDEA, de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales quienes contribuyen con la información climatológica de la ciudad de Manizales. • Grupo de Trabajo Académico en Ingeniería Hidráulica y Ambiental, por su apoyo incondicional • Diseñador visual Ricardo Cardona Arango, por la realización de la Figura 3.1.

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ABSTRACT Acidity and chemical characteristics were measured for rainfall in Manizales, Colombia over a period between March and July. Results suggest rainfall samples were highly acidic, within a range of 4.3 to 5.0 pH units, composed predominantly of SO4= species over NO3-. Acidities were similar to pH levels observed in Shanghai and Tokyo. Effects of acid rainfall were discussed for the surrounding local ecosystem types - montane tropical cloud forests. It is presented the research methodology carried out to diagnose the acid rain in Manizales. Samples were measured during various stages of rainfall events. A meteorological description of the behavior of main climatological variables for Manizales is performed. Therefore, it was feasible to use the results of acidity and ionic composition in the rain and relate it with the monitored meteorological variables. Preliminary results of high acidity justify further acid rain research in Manizales.

RESUMEN El texto aborda el tema de la contaminación atmosférica de manera general, incluyendo el monitoreo de la calidad aire a nivel regional y hace especial énfasis en la explicación del fenómeno de lluvia ácida. Se describe la fisicoquímica del fenómeno de la precipitación ácida y sus efectos sobre los diferentes ecosistemas, lo que lo cataloga como una de las consecuencias más importantes de la contaminación del aire. Se presenta la metodología de investigación llevada a cabo para diagnosticar depósitos ácidos en la ciudad de Manizales; los resultados de la investigación indican que en Manizales se presenta el fenómeno de lluvia ácida, con valores promedio en un rango de 4.98 y 4.25 unidades de pH, alcanzando niveles equivalentes al de ciudades como Shanghai y Tokio. La contribución de los sulfatos a la acidez en la lluvia predomina sobre la cantidad de nitratos. Se incluye una descripción del comportamiento meteorológico para la ciudad de Manizales, por lo que empleando los resultados de acidez y composición iónica en la lluvia, ha sido posible realizar un estudio que relaciona las variables meteorológicas monitoreadas y las principales variables de la precipitación ácida. Se trata de un estudio preliminar cuyas principales conclusiones justifican la continuación de este tipo de investigación.

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INTRODUCCIÓN Durante los años 2007 y 2008, el Instituto de Estudios Ambientales de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, IDEA, desarrolló a través del Grupo de Trabajo Académico en Ingeniería Hidráulica y Ambiental la investigación titulada “Diagnóstico y análisis del comportamiento de la lluvia ácida en la ciudad de Manizales”. Esta investigación buscó identificar y valorar la presencia del fenómeno de lluvia ácida en la ciudad y contribuir al establecimiento de una línea base en lo que tiene que ver con el diagnóstico y análisis del fenómeno. Como resultado de la investigación se ofrece este texto, en el cual se presentan los detalles más relevantes del trabajo investigativo en el marco de un soporte teórico acerca de la contaminación atmosférica, con el fin de contextualizar al lector y proporcionar herramientas para el entendimiento y análisis del tema. El texto aborda de manera general el tema de la contaminación del aire, sus fuentes, principales impactos y efectos, así como algunos casos relevantes a nivel mundial, los desarrollos nacionales y los avances de su seguimiento en el país. Posteriormente se aborda el tema de la lluvia ácida de una forma más detallada teniendo en cuenta los antecedentes del fenómeno, su definición, un esbozo general de la química de la precipitación ácida, los efectos más conocidos, algunos de los métodos empleados para monitorear este fenómeno, y finalmente trata de identificar, valorar y analizar la presencia y el comportamiento de la precipitación ácida, tanto en su componente de depósitos húmedos como de la componente seca, en la ciudad de Manizales. La aplicación de los Sistemas de Información Geográfica mediante el software ArcGis, disponible en la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, permite la elaboración de gráficos que ilustran los resultados presentados en este texto. El fenómeno de lluvia ácida tiene especial importancia, ya que la identificación de su presencia permite tener una idea del grado de contaminación del aire en un lugar particular. Los principales agentes precursores de la formación de depósitos ácidos son los óxidos de nitrógeno y azufre, los cuales sufren transformaciones en la atmósfera y llegan a la superficie en forma de compuestos ácidos, principalmente ácidos nítrico y sulfúrico. Los depósitos ácidos se presentan de forma seca o húmeda, alterando la dinámica natural de los ecosistemas en algunas partes del mundo.

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INTRODUCCIÓN

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Este fenómeno ha sido objeto de estudio principalmente en Asia, Europa y Norteamérica, regiones en las cuales la precipitación ácida ha afectado a diferentes niveles sus ecosistemas, lo que ha llevado a la implementación de políticas y medidas para su control. En Colombia se destacan los estudios realizados en Bogotá y Medellín (Echeverri y Vélez, 1997; León, 2000; Antolínez y Díaz, 2003 y Villamil, 2004) Han sido precisamente los efectos negativos de la contaminación del aire: calentamiento global, destrucción de la capa de ozono, smog fotoquímico, y lluvia ácida, los que han hecho que sea éste un tema de discusión a nivel mundial. Al respecto se han llevado a cabo diferentes reuniones en las que se han propuesto metas a mediano y largo plazo para reducir la emisión de contaminantes a la atmósfera y con ello tratar de frenar uno de los problemas que contribuyen a la degradación del planeta. Ejemplo de ello han sido el Protocolo de Kyoto y el Protocolo de Montreal. Esperamos con este libro contribuir al conocimiento y profundización en el estudio de los fenómenos ocasionados por la contaminación atmosférica, para aquellas personas que estén relacionadas en su profesión con estos temas o aquellas a quienes les interese conocer más a fondo los problemas ambientales. Agradecemos a la comunidad académica de la Facultad de Ingeniería y Arquitectura, el apoyo brindado para la publicación de este libro y a todas las personas que de una u otra manera contribuyeron al desarrollo de la investigación y a la organización temática del libro. Los autores

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CAPÍTULO 1

CONTAMINACIÓN DEL AIRE

Las actividades humanas generan residuos de tres tipos: sólidos, líquidos y gaseosos. Estos últimos son producto principalmente del consumo de combustibles fósiles. Los productos de las reacciones de combustión se encuentran normalmente en la naturaleza, pero una mayor tasa de emisión de estos compuestos en relación con la capacidad de asimilación y autodepuración en los ecosistemas, ocasiona lo que se denomina contaminación del aire. El desarrollo de la industria en los últimos siglos ha generado necesariamente un mayor consumo de recursos naturales, lo que se traduce en un incremento en el consumo energético, aumentando la cantidad de residuos emitidos al ambiente. El tema de la contaminación del aire ha venido adquiriendo mayor importancia en el mundo desde que se empezaron a identificar los problemas, los daños y las afecciones a los ecosistemas a diferentes niveles; no obstante, ha sido sólo a partir de la ocurrencia de hechos ecológicos y sociales trágicos, que el mundo ha empezado a dimensionar los problemas desencadenados por este tipo de contaminación. La lluvia ácida se encuentra dentro de los cuatro principales efectos de la contaminación atmosférica junto con la destrucción de la capa de ozono, el calentamiento global y el smog fotoquímico. El entendimiento del fenómeno de lluvia ácida, tema central de este texto, requiere la comprensión de algunos conceptos básicos concernientes a la contaminación atmosférica; por lo tanto, para entender de una manera más amplia el tema de la contaminación del aire se hace a continuación una descripción general de los conceptos básicos que describen este problema.

1.1 Fuentes y clasificación de los contaminantes atmosféricos Los contaminantes emitidos a la atmósfera pueden atribuirse principalmente a dos tipos de fuentes, las fuentes naturales y las fuentes artificiales denominadas antrópicas, ya que se derivan de la actividad humana.

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1.1.1 Fuentes naturales Entre las fuentes naturales de contaminación se destacan las emisiones volcánicas, cargadas de compuestos azufrados y cenizas y los incendios forestales que emiten principalmente aldehídos y cenizas. Otros ejemplos de fuentes naturales incluyen fenómenos como la erosión eólica que comprende los polvos generados por la fuerza de los vientos; la descarga del polen de las plantas y la actividad biogénica que comprende entre otros la descomposición de materia orgánica, emitiendo a la atmósfera metano, dióxidos de carbono y azufre. Una fuente natural de especial interés en el departamento de Caldas es el Volcán Nevado del Ruiz. Se han realizado estudios de las características de los gases emitidos durante las últimas erupciones, Williams et al., (1986) y Londoño et al. (1990). Sin embargo, los estudios más recientes no se han vinculado con la presencia de lluvia ácida en la ciudad de Manizales. La Figura 1.1 muestra el Volcán Nevado del Ruiz, ubicado sobre la Cordillera Central en el departamento de Caldas.

Figura 1.1. Emisiones volcánicas. Fotografía del Volcán Nevado del Ruiz, tomada el 25 de agosto de 1985. Foto: Carlos Enrique Ruiz.

1.1.2 Fuentes antrópicas Las fuentes antrópicas se dividen en fuentes móviles y estacionarias. Las fuentes móviles incluyen diversas formas de transporte terrestre, aéreo, fluvial o marítimo tales como automóviles, camiones, locomotoras, aviones y barcos. Las fuentes estacionarias son instalaciones no móviles como plantas de energía, industrias e incineradores; las fuentes estacionarias se dividen en fuentes fijas o puntuales que incluyen las chimeneas o tanques de almacenamiento que emiten contaminantes y fuentes de área que son pequeñas fuentes que en conjunto afectan la calidad del aire, tales como las quemas abiertas, humo de tabaco, los hornos de ladrillos caseros entre otros. La Figura 1.2 muestra la emisión de una fuente fija.

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Figura 1.2. Emisión de una fuente fija. Fuente: Carlos Mario González.

1.1.3 Clasificación de los contaminantes Cuando se habla de clasificación de los contaminantes se pueden especificar tres formas: • Clasificación según su naturaleza física, en la cual se distinguen contaminantes sólidos, líquidos o gaseosos. • Clasificación según su composición química, encontrando material particulado, compuestos de azufre, compuestos de nitrógeno, compuestos orgánicos, compuestos halogenados, entre otros. • Clasificación según su formación, en la cual se encuentran los contaminantes primarios que son emitidos directamente a la atmósfera y afectan la calidad del aire sin sufrir ninguna modificación química, y los contaminantes secundarios que son los que han sufrido cambios químicos o son el producto de la reacción entre dos o más contaminantes primarios. Un ejemplo de contaminantes primarios son los comúnmente evaluados en calidad del aire que incluyen material particulado, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y monóxido de carbono, mientras que un ejemplo de contaminantes secundarios son los ácidos nítrico y sulfúrico, característicos del fenómeno de lluvia ácida. En la Figura 1.3 se resumen los procesos que sufren los contaminantes luego de ser emitidos por la fuente y los sectores afectados por la contaminación. En esta figura se observan dos términos importantes, emisión e inmisión de contaminantes. El primero se refiere a la descarga directa a la atmósfera de un contaminante mediante una fuente móvil o fija, mientras que la inmisión, proceso

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contrario a la emisión, hace referencia a la transferencia de los contaminantes de la atmósfera hasta un receptor, siendo el aire inmiscible el aire respirable por receptores como los seres humanos.

Figura 1.3. Comportamiento de los contaminantes atmosféricos a partir de su emisión. Adaptada por Carlos Mario González.

1.2 Definición y efectos sobre la salud de algunos contaminantes atmosféricos La descripción realizada en esta sección se enfoca principalmente en los contaminantes que son objeto de estudio para la evaluación de la calidad del aire, entre los que se encuentran los precursores comunes del fenómeno de lluvia ácida. 1.2.1 Material particulado Son partículas sólidas o líquidas que se encuentran en el aire, producto de la quema de combustibles fósiles (carbón y derivados del petróleo), cenizas de erupciones volcánicas, incendios forestales y quemas de residuos, polvos de procesos industriales (orgánicos e inorgánicos) y erosión eólica. Según su tamaño, el material particulado se clasifica en polvo fino (menor de 100 micrómetros de diámetro); polvo grueso (mayor de 100 micrómetros de diámetro); vapores (entre 0.001 y 1 micrómetro de diámetro) y neblinas (entre 0.1 y 10 micrómetros de diámetro). Se ha reconocido que este tipo de contaminante tiene efectos sobre los recursos naturales, pero también sobre la salud humana, siendo las enfermedades respiratorias el principal efecto sobre la salud.

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1.2.2 Compuestos con azufre SOX El dióxido y el trióxido de azufre son los óxidos dominantes del azufre presentes en la atmósfera. El dióxido de azufre se convierte parcialmente a trióxido de azufre SO3 ó a ácido sulfúrico y a sus sales mediante procesos fotoquímicos o catalíticos en la atmósfera. El trióxido de azufre forma ácido sulfúrico con la humedad del aire. Los óxidos de azufre junto con las partículas y la humedad del aire producen los efectos más perjudiciales atribuidos a la contaminación atmosférica (Wark y Warner, 2002). El dióxido de azufre, en concentraciones mayores de 400 µg/m3, produce efectos perjudiciales sobre el sistema respiratorio humano. Los gases azufrados son unos de los precursores de la lluvia ácida. 1.2.3 Compuestos con nitrógeno NOX En la naturaleza existen diversos compuestos con nitrógeno, sin embargo, el óxido nítrico NO y el dióxido de nitrógeno NO2 son las formas más importantes como contaminantes atmosféricos. El óxido nítrico es un contaminante primario y se forma en todos los procesos de combustión que ocurren en presencia de aire atmosférico y en el que se alcancen altas temperaturas, que permitan combinar directamente el nitrógeno presente en el aire con el oxígeno. Con la luz solar el óxido nítrico se combina con el oxígeno atmosférico formando dióxido de nitrógeno que es un contaminante secundario (Corbitt, 2003). A este grupo de contaminantes se le asocian tanto daños al ambiente como efectos en la salud humana como la afección de las vías respiratorias. Los NOx también son precursores de la lluvia ácida. 1.2.4 Hidrocarburos Los hidrocarburos son contaminantes primarios y están compuestos de carbono e hidrógeno. Entre estos tipos de compuestos, se encuentran los hidrocarburos aromáticos, las olefinas y las parafinas. Estos compuestos son emitidos por el procesado y utilización del petróleo y sus derivados (Corbitt, 2003). Si bien no se han encontrado evidencias de efectos directos sobre la salud, se reconoce que la exposición a ciertos tipos de hidrocarburos puede llegar a la generación de cáncer. Sin embargo, tanto los efectos en el ambiente como en la salud, varían dependiendo del tipo de compuesto; estos compuestos son los responsables del denominado smog fotoquímico. 1.2.5 Monóxido de carbono CO El Monóxido de carbono es un gas incoloro, inodoro y sin sabor formado principalmente por una combustión incompleta de combustibles que contienen carbono (Corbitt, 2003). Existen muchos estudios que demuestran que las altas concentraciones de monóxido de carbono pueden causar cambios fisiológicos y patológicos y finalmente la muerte. El monóxido de carbono es un veneno que inhalado priva a los tejidos del cuerpo del oxígeno necesario (Wark y Warner, 2002).

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1.2.6 Dióxido de carbono CO2 El dióxido de carbono no es considerado contaminante dentro de ciertos límites; sin embargo, en la actualidad se le presta atención debido a que sus grandes emisiones están generando alteraciones importantes sobre el efecto invernadero y el cambio climático. 1.2.7 Ozono troposférico O3 Es un gas incoloro de olor picante característico. Posee gran poder oxidante y gran tendencia a transformarse en oxígeno. Su presencia en la parte baja de la atmósfera se debe principalmente a la acción fotoquímica de las radiaciones solares en presencia de óxidos de nitrógeno e hidrocarburos. Aunque el ozono en la parte inferior de la atmósfera es perjudicial para el ambiente, en la parte superior es necesario para proteger la Tierra de la nociva radiación ultravioleta, ya que conforma la capa de ozono. Como consecuencia de la emisión de estos y otros contaminantes a la atmósfera se han generado una serie de efectos reconocidos a nivel mundial: • Daño de la capa de ozono: El ozono O3 es indispensable en la estratosfera y tiene un efecto protector de la radiación ultravioleta dañina, lo cual es benéfico para la salud. Desde el punto de vista climático, su efecto es de enfriamiento de la superficie pues bloquea la entrada de radiación solar. La emisión antrópica de gases que son precursores de compuestos que reaccionan químicamente con el ozono, como los gases que contienen cloro, flúor y carbono (clorofluorocarbonados), ha sido motivo de alarma por la aparición del llamado agujero en la capa de ozono (Mesa, 2007). • Efecto invernadero: La atmósfera deja pasar la radiación solar, ésta es absorbida en la superficie terrestre que se calienta y emite radiación de onda larga; la atmósfera es muy opaca a esa radiación terrestre y la absorbe, se calienta y a su vez emite tanto hacia el espacio exterior como hacia la superficie. Esta dinámica de la radiación solar sobre el planeta Tierra se ve afectada por el aumento en el ambiente de gases como el dióxido de carbono, el cual forma un manto sobre la superficie de la Tierra y atrapa el calor reflejado, generando así un mayor calentamiento del planeta (Mesa, 2007). • Smog fotoquímico: Conocido como niebla fotoquímica. Es ozono a nivel del suelo formado por la reacción de contaminantes como óxidos de nitrógeno e hidrocarburos con la luz solar. • Lluvia ácida o precipitación ácida: Varios de los contaminantes emitidos a la atmósfera, específicamente los óxidos de nitrógeno y de azufre, reaccionan de diferentes formas y bajo diferentes condiciones produciendo compuestos ácidos que son depositados en forma seca o húmeda, esta última por medio de la lluvia, sobre la superficie terrestre alterando la dinámica natural de los ecosistemas.

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capÍtulo 2 MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE 2.1 Monitoreo de la calidad del aire en Latinoamérica y el Caribe Es en la década de los años cincuenta del siglo XX cuando se empieza a despertar el interés por la calidad del aire en América Latina y el Caribe, momento desde el cual las universidades y los ministerios de salud realizaron las primeras mediciones de la contaminación del aire (Korc, 2008). En el año 1965, el Consejo Directivo de la Organización Panamericana de la Salud (OPS) recomendó a su Director desarrollar programas de investigación sobre contaminación del agua y aire, así como cooperar con los gobiernos miembros en la generación de políticas adecuadas de control. Cuando la OPS inició su programa regional, muy pocos países tenían conciencia de la magnitud de sus problemas de contaminación del aire (Korc, 2008). A través del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), la OPS acordó establecer una red de estaciones de monitoreo de la contaminación del aire, con lo cual se materializó el primer gran esfuerzo por cuantificar este tipo de contaminación (OMS, 2000). En junio de 1967, la Red Panamericana de Muestreo Normalizado de la Contaminación del Aire (REDPANAIRE) inició sus labores con ocho estaciones de monitoreo de la calidad del aire y seis años más tarde contaba con un total de 88 estaciones distribuidas en 26 ciudades de 14 países. En 1980, REDPANAIRE cesó sus actividades y pasó a formar parte del Programa Global de Monitoreo de la Calidad del Aire, establecido en 1976 por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), como parte del Sistema Mundial de Monitoreo del Medio Ambiente (GEMS por sus siglas en inglés). En 1990, el Centro Panamericano de Ecología Humana y Salud (ECO) de la OPS realizó una encuesta sobre el estado de los programas de calidad del aire y salud en América Latina y el Caribe. Los resultados de esta encuesta indicaron que sólo seis países habían establecido estándares de calidad del aire, diez habían desarrollado redes de monitoreo, nueve habían preparado inventarios de emisiones, cuatro habían establecido estrategias de control y cuatro habían llevado a cabo estudios epidemiológicos (OMS, 2000).

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CAPÍTULO 2 - MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE

En los años noventa del siglo XX, la OMS organizó el Sistema de Información sobre la Gestión de la Calidad del Aire (AMIS por sus siglas en inglés) que tiene presencia a nivel mundial, al cual se incorpora el programa GEMS en 1997. Actualmente el AMIS brinda la información global requerida para el seguimiento de la calidad del aire, que incluye el monitoreo de la concentración de contaminantes, el desarrollo de instrumentos para elaborar inventarios de emisiones y modelos de dispersión, estimación de los efectos sobre la salud pública a través de estudios epidemiológicos y la propuesta de planes de acción detallados para mejorar la calidad del aire (OMS, 2000). Los graves problemas ambientales como el aumento del efecto invernadero, el desgaste de la capa de ozono a nivel estratosférico y el transporte transfronterizo de los contaminantes a través de procesos atmosféricos, afectan la calidad del aire en los países latinoamericanos. En la actualidad, se ha recurrido a la cooperación internacional por intermedio de convenios internacionales como el Protocolo de Montreal y el Protocolo de Kyoto, para buscar salidas a problemas de esta índole. Los estudios más recientes de la OMS sugieren que más de 100 millones de personas en América Latina y el Caribe están expuestas a niveles de contaminantes del aire en exteriores que exceden los valores límites recomendados por la OMS. Estos estudios no incluyen a millones de personas expuestas a la contaminación del aire en interiores debido a exposición directa.

2.2 Algunos casos de seguimiento en la región Se presentan a continuación algunos casos de ciudades de América Latina, en los que se han desarrollado mecanismos de monitoreo dada la complejidad de los problemas de contaminación atmosférica. 2.2.1 Brasil La Compañía de Saneamiento Ambiental CETESB que nació en 1968, inició sus actividades de control de la contaminación del aire en los años 70 del siglo XX. Durante esta década hubo un gran desarrollo industrial, el cual fue el responsable de las altas concentraciones de contaminantes, principalmente en Cubatão ciudad del Estado de Sao Paulo. Las labores de monitoreo se iniciaron en 1972, con una red manual, compuesta de 14 estaciones, midiendo en principio sólo tres contaminantes criterio. Esta red manual opera actualmente y cuenta con 18 estaciones establecidas por el interior del estado y la Región Metropolitana de Sao Paulo, RMSP. La red automática entró en operación en 1981, con estaciones medidoras distribuidas por la región metropolitana de Sao Paulo – RMSP y Cubatão. Esa red fue renovada en 1996, y en el 2000 el monitoreo automático fue ampliado para las ciudades de Campinas, San José de los Campos, Sofocaba y Paulina, totalizando 29 estaciones. Esas estaciones están ligadas a una central telemétrica, que recibe los datos colectados por los analizadores instalados en las estaciones por medio de línea telefónica. Cada contaminante tiene un analizador, que estudia el aire y procesa la información enviada cada hora. Cada 24 horas es emitido un boletín de calidad del aire informando la medida de la contaminación en este período.

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2.2.2 México En México se implementó el Sistema Nacional de Información de la Calidad del Aire SINAICA, programa que acopia y divulga a través de la página web del Instituto Nacional de Ecología INE los datos obtenidos por las principales redes automáticas de monitoreo de la contaminación atmosférica, con el objeto de dar a conocer la situación actual e histórica de la calidad del aire de diferentes ciudades del país. El SINAICA abarca las redes de monitoreo de Ciudad de México, Guadalajara, Toluca y Puebla. Durante el 2004 se incluyeron las estaciones de monitoreo del INE, las redes de monitoreo atmosférico de Salamanca, León, Celaya, Irapuato, Monterrey, Ciudad Juárez, TijuanaRosarito-Tecate y Mexicali (SINAICA, 2008). 2.2.3 Monitoreo de la calidad del aire en Colombia Se han establecido redes de monitoreo de la calidad del aire en algunas ciudades del país. Las redes más importantes son: 2.2.3.1 Red de monitoreo de Bogotá

El principal problema de calidad del aire en Bogotá tiene que ver con las elevadas concentraciones de material particulado respirable (PM10) y fino (PM2.5), específicamente en las localidades del centro-occidente y sur-occidente, en donde se concentra la actividad industrial de la ciudad y que al mismo tiempo son atravesadas por grandes vías cuyo tráfico se encuentra dominado por vehículos de carga pesada. Con el fin de realizar un seguimiento al problema de contaminación atmosférica, Bogotá cuenta con una Red de Calidad del Aire que está constituida por catorce estaciones remotas y una estación central de recepción de datos, las cuales reportan además parámetros meteorológicos. En la estación central de la red se evalúa la calidad de la información, se depura, se procesa y se elaboran informes periódicos (DAMA, 2008). 2.2.3.2 Red de monitoreo de Cali

Cali es una de las ciudades más grandes del país con aproximadamente 2´342.000 habitantes, un parque automotor de 339.000 vehículos, y cerca de 350 industrias adscritas al programa de control de impactos ambientales del Departamento de Gestión del Medio Ambiente DAGMA. La calidad del aire de la ciudad se monitorea continuamente a través de la Red de Monitoreo de Calidad del aire RMCA constituida por 8 estaciones fijas de monitoreo y una unidad móvil (Alcaldía de Cali, 2005). 2.2.3.3 Red de monitoreo de Medellín

REDAIRE existe desde 1992 y es el ente encargado de monitorear la calidad del aire del Valle de Aburrá a través de varias actividades, entre las cuales se encuentra la operación de las 21 estaciones que componen la red de monitoreo (REDAIRE, 2008). REDAIRE emite boletines trimestrales y adelanta algunas investigaciones con la información obtenida a través del monitoreo de la calidad del aire, información que puede ser consultada en su página web. Hoy en día cuenta con la participación, por medio de un convenio de cooperación interinstitucional del Área Metropolitana del Valle de Aburrá, CORANTIOQUIA y las Universidades Pontificia Bolivariana, Universidad de Antioquia, Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid y la Universidad de Medellín, así mismo, instituciones como el IDEAM y la Secretaría del Medio Ambiente del Municipio de Medellín se han unido en los últimos años (REDAIRE, 2008).

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2.2.3.4 La calidad del aire en Manizales

La autoridad ambiental en Manizales es la encargada de monitorear la calidad del aire en la ciudad midiendo principalmente material particulado, óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre. 2.2.3.4.1

Partículas en suspensión

Los promedios anuales de material particulado obtenidos en las diferentes estaciones del Municipio de Manizales, con datos a diciembre de 2006, son presentados en la Tabla 2.1. En la tabla 2.1 se visualizan los valores promedio del material particulado registrados desde el 2003 al 2006. Comparando los resultados del año 2003 con los obtenidos en la vigencia 2004, la tendencia de la concentración de material particulado en dos de las tres estaciones de la ciudad de Manizales se mantiene, a excepción del sector de Milán, donde el equipo fue reubicado y solamente se monitoreó dos meses en el año 2004 valores que se encuentran por debajo de la norma diaria 320 µg/m3 y del promedio anual 80 µg/m3. Tabla 2.1. Promedio anual de material particulado en las diferentes estaciones de monitoreo de la ciudad de Manizales. Fuente: Contraloría General de la República, 2006 Estación Centro PM10 Centro PST Milán Maltería

2003 (µg/m3) 55 78 90 67

2004 (µg/m3) 49 78 76 76

2005 (µg/m3) 63 85 76 76

2006 (µg/m3) 54 65 84 83

Norma local PST (µg/m3) 56 81 81 81

PST: Partículas Totales en Suspensión. PM10: Partículas inferiores a 10 µm de diámetro o respirables. Norma Environmental Protection Agency EPA-PM10: 50 µg/m3 3 µg/m : Microgramos por metro cúbico de aire muestreado.

De acuerdo con la información de CORPOCALDAS, al comparar los resultados del año 2005 con los obtenidos durante la vigencia 2006, la tendencia de la concentración de material particulado en dos de las tres estaciones en la ciudad de Manizales se mantiene, a excepción del sector del Centro, donde se nota una disminución en las partículas suspendidas totales y respirables. 2.2.3.4.2

Monitoreo de óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre

La Tabla 2.2 presenta los resultados promedio obtenidos de los monitoreos correspondientes a gases contaminantes, en diferentes sectores de la ciudad, durante las vigencias 2004, 2005 y 2006. Tabla 2.2. Promedio anual de dióxido de nitrógeno y dióxido de azufre medidos en la ciudad de Manizales. Fuente: Contraloría General de la República, 2006

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De acuerdo con los fenómenos de acumulación de sustancias provenientes del tráfico vehicular, el sector de la Carrera 21 presentó valores altos de contaminación según los resultados de las campañas de monitoreo de la vigencia 2004; en el 2005, este sector continuó evidenciando el impacto generado por la acumulación de estas sustancias. Con la restricción de una parte del tráfico vehicular durante el 2006, los valores de monitoreo muestran una disminución de la contaminación en el sector Centro-Carrera 21. 2.2.3.4.3

Estudios puntuales

Además del monitoreo de la calidad del aire, se han realizado varios estudios puntuales sobre algunos temas específicos a este respecto. A continuación se presentan algunos apartes de estos trabajos:

Gutiérrez (2000) El trabajo desarrollado por María Cristina Gutiérrez en el año 2000, denominado La calidad del aire en Manizales, propuesta para una red de monitoreo, presenta un análisis de las consideraciones básicas a tener en cuenta para el diseño de una red de monitoreo, tales como densidad de población, zonas donde se estima una alta concentración de contaminantes, industrias en zonas residenciales, etc. Esto debido a la variabilidad de condiciones para cada ciudad, ya que no existen parámetros estandarizados. Como producto de este trabajo se dedujo que, para realizar el monitoreo de contaminantes del aire en Manizales, se puede considerar como opción conformar una Red de Monitoreo de Calidad del Aire de la ciudad, integrada por seis (6) estaciones y compuesta por equipos semiautomáticos para medir los principales contaminantes que afectan el medio; la descripción de la red se describe en la Tabla 2.3. Tabla 2.3. Conformación de la red de monitoreo para Manizales. Fuente: Gutiérrez (2000) Estación 1 2 3 4 5 6

Localización Chipre Centro Milán Enea Carola Fátima

Contaminantes medidos TSP, PM 10, NOX. TSP, PM 10, NOX, SO2, O3, CO. TSP, PM 10, NOX, SO2. TSP, PM 10, NOX, SO2,O3, CO. TSP, PM10, NOX. TSP, PM 10, NOX, SO2.

La Red de Calidad del Aire para Manizales deberá estar conformada por seis (6) estaciones de monitoreo localizadas en sitios estratégicos de tal forma que se realice bajo el parámetro de población expuesta, con un cubrimiento total de la ciudad.

Buitrago (2003) En el año 2003, Jaime Hernán Buitrago Arango realizó un trabajo de tesis de Maestría titulado Aplicación del Modelo Gaussiano para determinar la calidad del aire de Manizales. En éste se

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establecieron características de la ciudad tales como población, vocación productiva, condiciones ambientales y climatológicas, además de realizar un inventario de las fuentes de contaminación y cuantificación potencial del contaminante, que permitió aplicar el modelo de dispersión para determinar el comportamiento de los contaminantes luego de ser emitidos a la atmósfera. Algunos resultados de este trabajo son: El 85,1% del dióxido de carbono generado en la ciudad es debido a la emisión de fuentes móviles; el 8,9% es producto del gas natural y el 6% de las emisiones corresponden al sector industrial. En lo referente a monóxido de carbono las fuentes móviles emiten el 99,5%, las industrias son las responsables del 54,8% de las emisiones de dióxido de nitrógeno. La principal emisión atmosférica producida por el sector industrial corresponde al CO2. Se evidencia que la principal fuente potencial contaminante en la ciudad de Manizales es el parque automotor. El modelo permitió establecer que de acuerdo con la dirección predominante del viento en el centro de la ciudad, los contaminantes se dirigen hacia el sector de la comuna dos en dirección nororiente. Las concentraciones de CO en el centro de la ciudad reportadas por el modelo no superan los valores de la norma.

González (2005) En el primer semestre del año 2005, Juliana González Gutiérrez realizó un estudio denominado La calidad del aire asociado a partículas y gases en la ciudad de Manizales; trabajo de tipo cuantitativo en el que se monitorearon gases y partículas según las normas vigentes a nivel nacional e internacional. Posteriormente se le hizo un tratamiento estadístico a los datos, en el que se identificaron los niveles de contaminación de los sectores monitoreados; como principales conclusiones se tiene: • Los resultados del estudio a nivel de partículas, muestran que las concentraciones de las partículas totales TSP y partículas menores a 10 micras PM10 sobrepasan los promedios máximos permitidos por la norma. • La concentración de gases en general sólo supera la norma en un punto de la ciudad, el centro. • Las partículas menores a 10 micras PM10 se monitorearon solamente en el centro y no permite comparaciones con otros lugares de la ciudad. • Los sectores más afectados por las partículas TSP en Manizales son el centro y el sector de Milán. • Las comparaciones de las mediciones en los resultados de TSP desde el año 2000 en los tres puntos de monitoreo han aumentado año tras año. • La mayor concentración de NO2 se da en Chipre y está bajo los límites establecidos.

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Velasco (2005) Mauricio Velasco en el 2005 presentó la tesis denominada La calidad del aire asociado con metales pesados en la ciudad de Manizales, en la que se evaluó la presencia de metales pesados en el material particulado; en este trabajo se evidenció la magnitud del problema y se encontró la presencia de un metal que está prohibido.

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CAPÍTULO 3 LLUVIA ÁCIDA 3.1 DEFINICIÓN La precipitación ácida o lluvia ácida, como comúnmente se le denomina, es un fenómeno troposférico y uno de los principales efectos de la contaminación atmosférica, en el cual, compuestos de características ácidas producto de reacciones químicas son depositados sobre la superficie terrestre. Tales compuestos ácidos se forman a partir de precursores gaseosos emitidos por fuentes antrópicas y naturales, principalmente óxidos de nitrógeno y azufre, y las características de su generación dependen fuertemente de ciertos factores meteorológicos y químicos. La precipitación ácida comprende dos fenómenos: 3.1.1 Precipitación ácida seca Según las condiciones climatológicas (principalmente períodos de escasa lluvia) y algunas características cinéticas, parte de los precursores de la precipitación ácida reaccionan y producen compuestos en estado gaseoso. Estos compuestos en condiciones de baja humedad, en la cual pueden diluirse, son transportados por corrientes de vientos y se depositan sobre la superficie en forma de aerosol o adsorbidos en material particulado. Otra fracción de los precursores emitidos pueden depositarse por esta vía antes de intervenir en alguna reacción. 3.1.2 Precipitación ácida húmeda Es toda precipitación en forma de lluvia, nieve, granizo o niebla que presente un valor de acidez inferior a 5.65, valor de pH natural de la lluvia, debido al equilibrio químico entre el CO2 atmosférico y el agua. La reacción que se presenta es la siguiente (Wark y Warner, 2002):

En la Figura 3.1 se presenta un esquema de la formación de la lluvia ácida. En las secciones 3.7 y 3.8 se realiza una descripción detallada de los procesos esquematizados y efectos descritos en la Figura 3.1.

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Figura 3.1. Formación y efectos de la precipitación ácida. Adaptada por: Diseñador visual Ricardo Cardona Arango

Según los niveles de acidez determinados por los valores de pH en la lluvia, es posible clasificar el agua lluvia en cuatro grupos principales. La Tabla 3.1 resume dicha clasificación. Tabla 3.1. Clasificación de la lluvia según su valor de pH. Fuente: ideam.gov.co pH pH > 5.6 4.7 < pH � 5 .6 4.3 < pH � 4 .7 pH � 4 .3

Clasificación de la lluvia Lluvia no ácida Lluvia ligeramente ácida Lluvia medianamente ácida Lluvia fuertemente ácida

Dentro de la caracterización fisicoquímica de la lluvia, la determinación de compuestos iónicos como sulfatos y nitratos es de gran importancia. Según Berner et al. (citado por Antolínez y Díaz, 2003), una concentración mayor de 92.85 µeq/l (1.3 mg/L) para nitratos es un indicador de alta contaminación, mientras que para sulfatos el límite es de 62.5 µeq/l (3 mg/L). Se puede catalogar la lluvia ácida como un indicador de contaminación atmosférica de acuerdo con diferentes parámetros fisicoquímicos. La Tabla 3.2 muestra los parámetros más importantes.

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Tabla 3.2. Lluvia ácida como indicador de contaminación. Fuente: Antolínez y Díaz (2003) Parámetro pH Conductividad Sulfatos Nitratos



Valor

Característica

< 5.6

Lluvia ácida

5.6

Valor normal de la lluvia

> 5.6

Lluvia básica

> 20 µs/cm

Lluvia ácida

1 - 3 mg/L

Zona de baja contaminación

3 - 8 mg/L

Zona de alta contaminación

0.4 – 1.3 mg/L

Zona de baja contaminación

1.3 - 3 mg/L

Zona de alta contaminación

3.2 Antecedentes del conocimiento sobre la lluvia ácida y de las medidas ambientales para su monitoreo y control

El conocimiento del fenómeno de la sedimentación ácida (lluvia ácida) se remonta al año 1845, cuando M. Ducros caracterizó la precipitación durante fuertes tormentas en Francia, identificando características ácidas debido, según su concepto, a ácido nítrico formado naturalmente a causa de las fuertes descargas eléctricas (Gorham, 1998). Estos primeros reportes se basaron principalmente en la observación del fenómeno y no en el análisis profundo de sus posibles causas y efectos. Además no era un tema de interés general, por lo que estuvo relegado a unos cuantos científicos de la época, principalmente en Europa. Posteriormente, en la península escandinava y en Gran Bretaña se desarrollaron los primeros estudios de interés, que generaron las bases para la descripción del fenómeno y aún más importante, mostraron al mundo la importancia de adelantar políticas conjuntas para el seguimiento y mitigación de los efectos de la lluvia ácida, ya que los bosques escandinavos estaban siendo afectados por la contaminación producida en Inglaterra. En 1957 inició la instalación a nivel mundial de redes de control de la calidad del aire y redes de monitoreo de condiciones meteorológicas, actividad que continuó durante el siguiente decenio. A finales de los sesenta en las estaciones de las redes instaladas en Suecia se descubrieron los primeros indicios de un grave problema medio ambiental, la lluvia ácida (Villamil, 2004). Posteriormente se establecieron redes regionales más densas en América del Norte y Europa dedicadas especialmente a medir depósitos ácidos. En 1968 entra en servicio la red BAPMON (Background Air Pollution Monitoring Gaw Netwwork) de la OMM (Organización Meteorológica Mundial), que fue posteriormente consolidada con el Sistema Global de Observación del Ozono en 1989, para formar así el Programa de Vigilancia de la Atmósfera Global – GAW (Global Atmosphere Watch). En Europa se tiene en funcionamiento la EMEP (Cooperative Programme for the Monitoring and Evaluation of Long Range Air Pollutants in Europe), data de 1977 fundada por la UN – ECE (United

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Nations Economic Comission for Europe) y la UNEP (United Nations Environmental Programme) (Villamil, 2004). A nivel internacional, el tema de la lluvia ácida fue tratado en la Conferencia de Medio Ambiente y Desarrollo para las Naciones Unidas realizada en Río de Janeiro en 1992, en la cual se llegó a la conclusión de que la lluvia ácida es un problema que requiere esfuerzos internacionales conjuntos para lograr su pronta y adecuada solución. A continuación se presentan los antecedentes más relevantes del estudio de la lluvia ácida, primero en Europa y posteriormente en Norte América, Asia y Latinoamérica. La Tabla 3.3, recoge una descripción más detallada de los actores y de sus principales contribuciones (Cowling, 1982; Gorham, 1998 y Visgilio y Whitelaw, 2007). Tabla 3.3. Antecedentes más relevantes del estudio de la lluvia ácida. Fuente: propia.

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Tabla 3.3. Continuación. Antecedentes más relevantes del estudio de la lluvia ácida.

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Tabla 3.3.Continuación. Antecedentes más relevantes del estudio de la lluvia ácida.

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Tabla 3.3. Continuación Antecedentes más relevantes del estudio de la lluvia ácida.

3.3 ESTUDIO DE LA PRECIPITACIÓN ÁCIDA EN EUROPA Después del estudio de Ducros, en el cual estableció el concepto de lluvia ácida, siguió uno de los más importantes, realizado en 1852 por Robert Angus Smith en la ciudad de Manchester, Inglaterra. El análisis de la precipitación en distintos puntos de la ciudad permitió sectorizarla según el grado de acidez de la lluvia y plantear que la acidez se debía a ácido sulfúrico generado debido a la combustión de carbón principalmente en la zona centro de la ciudad. Además, presentó los primeros efectos de la lluvia ácida sobre metales y textiles. En 1872 en el libro Air and Rain: The beginnings of a chemical climatology, Smith fundamentó muchas de las ideas básicas sobre la química atmosférica y la lluvia ácida. Es quizás ésta la primera publicación sobre el tema, en la que se abordaron los precursores y los efectos del fenómeno en una ciudad industrializada como Manchester en el siglo XIX. Durante casi un siglo, los estudios continuaron revelando aspectos de gran importancia. Crowter y Ruston en 1911 mostraron que los efectos que genera la lluvia ácida son similares a los generados por ácido sulfúrico diluido; efectos negativos sobre plantas, actividad de los microorganismos involucrados en el ciclo del nitrógeno, y sobre el suelo fue estudiado en detalle por Crowther y Steuart en 1913; la acidificación de la lluvia puede generarse por fuentes naturales, como un volcán, estudio realizado por Bottini en 1939, en el cual identificó ácido clorhídrico cerca al volcán del Monte Vesubio (Gorham, 1998). La investigación se enfocaba en tres aspectos de importancia, cada una liderada por un grupo de científicos europeos (Cowling, 1982): • La limnología: Eville Gorham, en una serie de publicaciones iniciadas en 1955, construyó la mayoría de fundamentos sobre el entendimiento de las causas de la precipitación ácida y sus efectos sobre ecosistemas acuáticos.

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• Ciencias agrícolas: Partiendo de los estudios acerca de la relación entre nutrientes en el aire y el crecimiento de plantas realizados entre 1855 y 1916 en el Rothamsted Experiment Station en Inglaterra, Hans Egner desarrolló un sistema para determinar el grado de fertilización sobre cultivos por parte de la atmósfera. Se creó la primera red para la recolección y análisis químico mensual de la precipitación, establecida en granjas experimentales por toda Suecia a mediados de la década del 50. Esta red fue expandida gradualmente por otros científicos en parte de Europa, formando así la llamada European Air Chemistry Network. • Ciencias atmosféricas: Los suecos Carl Rossby y Erik Erikson estaban convencidos que los procesos atmosféricos son mecanismos eficientes para la dispersión a grandes y cortas distancias de muchas sustancias diferentes. El análisis de los datos arrojados por la red de química de la precipitación les permitió comprobar varias de sus hipótesis sobre las trayectorias de las masas de aire, los procesos turbulentos de dispersión y los procesos de depuración y precipitación de la atmósfera en los años 50. Estas observaciones llevaron a Eriksson a enunciar una teoría general para describir la circulación biogeoquímica de la materia en la Tierra. Estos estudios no generaron gran interés en la comunidad científica de la época y por casi un siglo la lluvia ácida no recibió atención política, ya que era visto como un problema local de contaminación. Durante la época, el principal problema asociado a la contaminación atmosférica era el humo y el hollín que afectaba regiones industrializadas. La respuesta de las industrias ante las constantes quejas de las comunidades vecinas fue aumentar la altura de las chimeneas con el fin de dispersar sus emisiones. Es posiblemente este hecho la primera causa de contaminación a largo alcance (Visgilio y Whitelaw, 2007). Además de esto, algunos acontecimientos asociados a muertes y enfermedades por causa del smog atrajeron la atención del mundo, principalmente las nieblas asesinas (killer fogs) en Londres. La más recordada se registró en 1852, en la cual 12000 personas murieron a causa del smog que cubrió la ciudad durante 4 días (4000 durante el evento y 8000 en el transcurso de las 10 semanas siguientes). Los problemas de contaminación se acentuaron a mediados del siglo XX durante la reindustrialización europea tras la Segunda Guerra Mundial. Este proceso generó niveles alarmantes de contaminación, lo que llevó a tratar el tema de la contaminación como un tema de interés regional. Lamentablemente las políticas y medidas ambientales para mitigar el impacto negativo sobre el medio ambiente no surgieron efecto, ya que la contaminación del aire era considerado un subproducto de la modernización.



3.4 Svante Oden y la evolución en la investigación de la lluvia ácida en Europa

La primera gran integración del conocimiento sobre la precipitación ácida fue llevada a cabo por el científico de suelos Svante Oden en el Agricultural College en Suecia. En 1961 inició un programa de monitoreo de la química de aguas superficiales en algunos lugares de su país. Al analizar los

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resultados de esta red y al combinarlos con los datos obtenidos por la red de monitoreo creada por Egner, algunas tendencias y relaciones emergieron. Además de esto, la escasa densidad poblacional y el bajo nivel de industrialización de la península escandinava hacían improbable que las emisiones domésticas de la zona fueran las causantes del daño que Oden encontró en los cuerpos de agua al sur de Suecia. Entonces, estableció como hipótesis que la fuente de contaminación eran Gran Bretaña y el continente europeo. Los resultados fueron publicados en dos medios suecos diferentes: El prestigioso diario de Estocolmo Dagens Nyheter (1967) y en el Ecology Committee (1968). Estas publicaciones generaron el interés de la prensa Europea y estimularon el interés científico por la precipitación ácida y por sus efectos ecológicos. Los lineamientos más importantes del trabajo de Oden mostraron que: • La precipitación ácida es un fenómeno regional de gran escala en buena parte de Europa, con fuentes y sumideros bien definidos según el estudio de trayectorias. • La lluvia y las aguas superficiales estaban siendo cada vez más ácidas. • Transporte aéreo de largo alcance (100 – 2000 km) de contaminantes con componentes nitrogenados y azufrados, ha tenido lugar entre varias naciones europeas. • Algunas de las probables consecuencias ecológicas de la precipitación ácida pueden ser cambios en la química de aguas superficiales, disminución de poblaciones de peces, lixiviación de metales tóxicos de los suelos a cuerpos de agua, reducción en el crecimiento de bosques, incremento de las enfermedades en plantas y un daño acelerado de materiales. Estas conclusiones e hipótesis generaron el interés sobre el tema de la lluvia ácida. Quizás la más importante de las reacciones es el inicio de investigaciones ordenadas por el gobierno sueco como respuesta a la creciente controversia pública y científica. Esta investigación culminó con el Caso de Estudio de Suecia presentado en la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente Humano en 1972, titulado Air Pollution Across National Boundaries: The Impact of Sulfur in Air and Precipitation, desarrollado por Bert Bolin. La década de los 70 del siglo XX estuvo caracterizada por los llamados de los gobiernos escandinavos a reducir emisiones peligrosas, especialmente alemanas y británicas, conferencias científicas e investigaciones que por una parte avalaran los graves efectos generados por este fenómeno y por otra determinaran el grado de responsabilidad de los países industrializados. En el año 1979 se firma el tratado base de la política ambiental europea. La CLRTAP o Convention of Long – Range Transboundary Air Pollution que llamó a los estados adscritos (34 gobiernos y la Comunidad Europea) a tomar las medidas necesarias para limitar y hasta donde sea posible, reducir gradualmente y prevenir la contaminación atmosférica incluyendo la contaminación transfronteriza de largo alcance (www.unece.org/lrtap), así como a cooperar en la investigación y monitoreo de la

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contaminación atmosférica, incluyendo la precipitación ácida. Entró en vigor en 1983 y sus alcances han sido extendidos por ocho protocolos. El primero de estos se estableció en 1984 en Génova, denominado Protocol of Long-term Financing of Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Long-range Transmission of Air Pollutans in Europe, o EMEP, que fijó las directrices para el financiamiento, monitoreo y evaluación de las actividades de la convención. En cada uno de los protocolos posteriores desarrollados entre 1985 y 1998, se establecieron acuerdos para la reducción de emisiones contaminantes precursores de depósitos ácidos, entre ellos y en orden cronológico: SO2 en Helsinki, 1985; NOX en Sofía, 1988; VOCS en Génova, 1991; SOX en Oslo, 1994; metales pesados y POPS en Aarhus, 1998, (www.unece.org/env/lrtap/status/lrtap_s.htm). El último de los protocolos de LRTAP se llevó a cabo en Gotemburgo el año 1999, denominado Abate Acidification, Eutrophication and Ground Level Ozone. Las negociaciones fijaron nuevos topes en 2010 para emisiones de azufre, NOX, VOCS y amoníaco, con base en investigaciones adelantadas durante la última década. Estas nuevas restricciones permitirían para el año 2010 que el continente disminuya en al menos 63% las emisiones azufradas, 41% las emisiones de NOX, las de VOCS en 40% y las de amoniaco en un 17% comparados con los niveles presentados en 1990. A su vez, el área con niveles elevados de acidificación pasaría de 93 millones de hectáreas en 1990 a 15 millones (www.unece.org/env/lrtap/multi_h1.htm).

3.5 Estudio de la precipitación ácida en Norte América El conocimiento de la precipitación ácida y sus implicaciones en Norte América se desarrolló inicialmente en Canadá y posteriormente en Estados Unidos. Las primeras investigaciones buscaron determinar en 1939 los efectos de las emisiones con contenidos de azufre y metales pesados provenientes de fundidoras de metal en Sudbury, Canadá, principal fuente de SO2 en el mundo. En Estados Unidos los primeros reportes se enfocaron en la determinación de los efectos de la precipitación atmosférica sobre el crecimiento de cultivos, desarrollando redes regionales para el monitoreo de la química de la precipitación durante los años 50 del siglo XX (Cowling, 1982). El interés científico y público sobre el fenómeno y sus consecuencias ecológicas fue estimulado en Norte América al igual que en Europa por Svante Oden, quien adelantó actividades de divulgación de sus trabajos en algunas instituciones durante 1971 y con su participación en el 19° Congreso Internacional de Limnología en Winnipeg en 1974. Muchas investigaciones surgieron después de esto, destacándose un alarmante reporte realizado en 1976 por Carl Schofield acerca de la extinción de poblaciones de peces en los montes Adirondack (NY), ecosistema fuertemente afectado por la precipitación ácida. Dos estudios generaron preocupación en las autoridades ambientales canadienses a finales de la década de 1970, según Visgilio y Whitelaw (2007): • Acidificación de lagos al norte de Toronto, cientos de kilómetros distantes de las fundidoras en Sudbury

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• La acidez de la precipitación al oriente del país no se debía únicamente a las emisiones en Sudbury. El transporte de largo alcance de contaminantes provenientes de Estados Unidos, era parte significativa del problema. Debido a esto, el interés de las autoridades ambientales canadienses fue mayor que el mostrado por Estados Unidos. Desde 1977, Canadá buscó acuerdos bilaterales. El primero de estos fue de tipo investigativo, en el cual un grupo de científicos de ambos países presentaron sus investigaciones en un reporte el año 1980; algunas de las conclusiones fueron: • La acidificación era generalizada y estaba generando daños irreversibles sobre lagos, ríos y peces así como posiblemente afectaba bosques de alta elevación, suelos y estructuras metálicas. • Las emisiones de SO2 de Estados Unidos eran cinco veces mayores que las canadienses y entre el 70 y 80% de los contaminantes que atravesaban la frontera eran producidos por Estados Unidos. Aunque en 1979 ambos países firmaron el CLRTAP, las políticas bilaterales no se concretaron. La década de los 80 se caracterizó por presiones políticas por parte de las instituciones ambientales canadienses, sin ninguna respuesta estadounidense, mientras que las pruebas científicas sobre los efectos que la contaminación a largo alcance y la precipitación ácida estaban generando sobre los ecosistemas norteamericanos, seguían siendo publicados. Una década de conflicto bilateral sobre lluvia ácida terminó en 1990, año en el que el congreso estadounidense aprobó el Acta de Aire Limpio (Clean Air Act), ley que define las responsabilidades de la EPA (U.S. Environmental Protection Agency) para proteger y mejorar la calidad del aire nacional y la capa de ozono estratosférica, considerando en el Título IV el problema de la precipitación ácida (www.epa.org/air/caa/). En 1991, se firmó el acuerdo bilateral sobre calidad del aire Canadá – Estados Unidos (Air Quality Agreement).

3.6 Estudio de la sedimentación ácida en Asia El desarrollo económico en el este asiático ha venido acompañado por un incremento en las emisiones de contaminantes precursores de depósitos ácidos. Esta situación tiende a empeorar en el futuro, debido a que gran parte de la energía que conduce la industrialización viene de la combustión de carburantes fósiles, principalmente carbón con alto contenido en azufre. Estos presagios han sido fundamentados en estudios durante las últimas dos décadas, generando preocupación en las autoridades ambientales del continente, por los efectos que estas tendencias dilucidan para los años venideros. La historia de la política ambiental asiática y en especial la concerniente al monitoreo de depósitos ácidos ha carecido de cooperación regional, con excepción de algunos acuerdos bilaterales. En la parte científica, muchos países realizaron en las décadas de los 80 y 90 del siglo XX monitoreos de la química de la precipitación, pero establecer un conocimiento base del estado de la acidificación en el continente era difícil, dado que cada país utilizaba sus propios protocolos e instrumentación para realizar las mediciones (Wangwongwatana, 2001).

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A principios de la década de 1990, la preocupación regional aumentó y Japón lideró una campaña para estudiar conjuntamente el fenómeno de la precipitación ácida. Entre 1993 y 1997 se llevaron a cabo cuatro encuentros de expertos en el fenómeno, con el fin de discutir el estado de la precipitación ácida en la región. Las recomendaciones de los encuentros se fundamentaron en la necesidad de establecer una red para el seguimiento de las características del fenómeno con métodos de monitoreo y técnicas de análisis estándar (www.eanet.cc/eanet/brief.html). Durante este período de investigación se comprobaron las perspectivas sobre las emisiones asiáticas, reportando predicciones que afirman que para 2020 las emisiones asiáticas serán iguales o superaran las emisiones combinadas de Europa y Estados Unidos (Galloway, 1995). En marzo de 1998 se lleva a cabo la Primera Sesión Intergubernamental de la Red de Monitoreo de la Precipitación Ácida en el Este Asiático EANET (Acid Deposition Monitoring Network in East Asia), en la que se decidió establecer una fase preparatoria entre 1998 y 2000, período en el cual participaron 10 países y cuyos objetivos fueron determinar la factibilidad del funcionamiento de EANET, proveer de las herramientas necesarias a cada país miembro y establecer la normatividad legal que rija las actividades del programa. El año 2001, EANET inicia actividades regulares con 10 países miembros. En la actualidad EANET continúa en actividad, programando encuentros científicos y presentando informes regularmente y expandiendo su campo de acción, con 13 miembros en 2008.

3.7 Química de la lluvia ácida La formación de los ácidos que caracterizan el fenómeno de lluvia ácida, es un tema que actualmente continúa estudiándose debido a la complejidad de los procesos que se llevan a cabo en la atmósfera y a la diversidad de factores que rigen su aparición. Es importante aclarar que la lluvia ácida es un fenómeno que se da a nivel troposférico, es decir, en la capa de la atmósfera que abarca los primeros 16 km desde la superficie terrestre. La Figura 3.2 ilustra las capas de la atmósfera y sus respectivas alturas aproximadas.

Figura 3.2. Capas de la atmósfera. Fuente: propia.

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Según Ravishankara (1997), en la troposfera se dan principalmente dos tipos de reacciones, de tipo heterogéneo y multifásicas. Las primeras toman lugar en la superficie de partículas sólidas presentes en la atmósfera y las segundas toman lugar en el seno de gotas líquidas. Son muchos los ácidos que se forman en la atmósfera, pero los ácidos nítrico y sulfúrico revisten especial interés, siendo éstos productos de la oxidación de contaminantes tales como NOx y SO2 respectivamente. A continuación se ilustran algunas de las reacciones que se llevan a cabo para la formación de dichos ácidos. 3.7.1 Generación de ácido sulfúrico H2SO4 La generación de ácido sulfúrico se puede dar en fase gaseosa o líquida, ésta última reviste mayor importancia gracias a la alta solubilidad del SO2 en el agua. 3.7.1.1 Fase gaseosa

Las reacciones en este estado de agregación se dan sobre la superficie de material particulado, previa adsorción de los componentes que intervienen. Se conocen muchas rutas de formación de H2SO4 a partir de precursores gaseosos, debido principalmente al número de radicales químicos que hacen parte de ésta, aunque unas predominan ya que son favorecidas por condiciones de afinidad química, temperatura, entre otras. Se destacan las siguientes interacciones químicas: Reacción de radicales OH así como HO2 y CH3O2, los cuales oxidan el SO2 transformándolo posteriormente en H2SO4. La generación del radical HO2 se debe principalmente a procesos químicos en la troposfera tales como la oxidación del formaldehido HCOH o del hidrógeno atómico por parte del O2 atmosférico. Por su parte, la generación del radical CH3O2 se da principalmente durante las etapas intermedias de la oxidación del gas metano y otros hidrocarburos presentes en la atmósfera. Oxidación del SO2 con ozono troposférico, se da en dos etapas: Primera etapa: Transformación de SO2 a SO3 SO2+O3 SO3+O2

Segunda etapa: Combinación del SO3 con vapor de agua para obtener como producto ácido sulfúrico.

Del total del SO2 que se oxida en la atmósfera, solo un 3 a 4% lo hace en estado gaseoso. Esta velocidad es diez veces menor en invierno y más lenta en las noches. 3.7.1.2 Fase líquida

Los posibles oxidantes de las reacciones en fase líquida, las cuales se dan en el seno de las gotas de agua que forman las nubes, son: Agua oxigenada H2O2

Oxida el ácido sulfuroso, el cual es producto de la disolución del SO2 en agua.

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SO2+H2O H2SO2 +H2O2

H2SO2 H2SO4 +H2O

Debido a que en la troposfera el H2O2 se encuentra naturalmente a concentraciones muy bajas (aproximadamente 0.001 ppm), el foco principal de formación de H2O2 es la combinación de 2 radicales HO2:

Acción de iones metálicos de transición como hierro y manganeso.

Mecanismo fotocatalítico: Partículas sólidas de determinados óxidos metálicos (óxidos de hierro, zinc, titanio) se activan fotoquímicamente dando lugar a la oxidación del SO2. 3.7.2 Generación de ácido nítrico HNO3 Este ácido se forma principalmente en fase gaseosa debido a su baja solubilidad en agua. Las principales interacciones químicas son: Como en el caso del SO2, radicales OH y en menor proporción radicales HO2 y CH3O2, oxidan el NO2 formando ácido nítrico. El ozono troposférico O3 produce la transformación de NO2 a HNO3 en un proceso de tres etapas: Primera etapa: Formación de nitrato por interacción del ozono con el NO2. NO2+O3 NO3+O2

Segunda etapa: Reacción del nitrato NO3 con NO2 para la formación del intermediario pentaóxido de dinitrógeno N2O5.

Tercera etapa: Generación del ácido nítrico al presentarse una reacción con vapor de agua presente en la atmósfera.

3.7.3 Procesos de generación de los ácidos sulfúrico y nítrico en la troposfera Los procesos de generación de los ácidos sulfúrico y nítrico en la troposfera se muestran en la Figura 3.3.

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Figura 3.3. Procesos de generación de los ácidos sulfúrico y nítrico en la troposfera. Adaptada de Domenech, 1995

Hay que destacar que la mayor contribución a la acidez de la lluvia proviene del SO2, ya que este gas es más soluble en agua que el NO2, por tanto, su oxidación es más factible. Se considera que unas dos terceras partes de la acidez en el fenómeno de lluvia ácida provienen del SO2 (Domenech, 1995). 3.7.4 Ácido clorhídrico HCl Es otro ácido que produce acidez en la lluvia. Se estima que la contribución a la acidez es menor a un dos por ciento del total de los ácidos presentes en la atmósfera. La mayoría del HCl se emite en su forma molecular; algunas de las causas de su presencia en la troposfera son: • El principal foco natural son los océanos, gracias a la emisión de cloruro de metilo ClCH3 el cual es oxidado por radicales OH troposféricos. • Erupciones volcánicas. • Quema de biomasa • Reacción de aerosol marino con ácidos atmosféricos. • Por acción antrópica, se destacan la quema de combustibles que contienen pequeñas cantidades de cloro y la incineración de residuos domésticos e industriales.

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3.7.5 El papel del amoniaco en la generación de acidez Cuando se habla de precursores de acidez en la atmósfera, es común observar como son tenidos en cuenta únicamente los contaminantes SO2 y NOx. Sin embargo, hay un compuesto que juega un papel importante en la generación de acidez: el amoniaco NH3. El incremento de la demanda alimentaria mundial ha aumentado la utilización de fertilizantes, los cuales constituyen una fuente de nitrógeno. Debido a su utilización, se estima que son emitidos en el planeta casi 50 teragramos (1012 gramos) de nitrógeno por año en forma de NH3, y unos 10 teragramos de nitrógeno por año como NO (Galloway, 1995). Hay que especificar el papel que juega el amoniaco tanto en la atmósfera como en los ecosistemas terrestres: A nivel atmosférico, el NH3 neutraliza los ácidos nítrico y sulfúrico, reduciéndo la acidez de aerosoles, nieve y por supuesto la lluvia. Por ejemplo, la reacción llevada a cabo para la neutralización del ácido sulfúrico es: 2H +SO4 +NH3 NH4++H++SO4=

+

=

Esta reacción produce una mezcla iónica de amonio NH4+, ion hidrógeno H+, e ión sulfato SO4 , siendo visible como el NH4+ actúa como transportador de protones que producen la acidez atmosférica. =

Por otra parte, en los ecosistemas terrrestres los NHx , NH3 + NH4+, tienen poder acidificante. Una vez se produce la reacción de neutralización con el amoniaco, los productos NH4+ y H+ se depositan. Hay tres posibles destinos para estos compuestos iónicos una vez son depositados en los suelos: 1. Se puede producir un intercambio protónico, generándose una liberación de un protón H+; la reacción es la siguiente: + + = NH 2H++SO4= 4 +H +SO4

2.

(Intercambio protónico)

El NH4+ es tomado por las plantas liberando un protón:

+ + = NH 2H++SO4= 4 +H +SO4

(Absorción de las plantas)

3. En un proceso de dos etapas, se produce inicialmente una nitrificación en la cual se genera NO3-, el cual es tomado por las plantas para producir el ácido.

(Nitrificación y absorción de las plantas)

En los tres casos descritos, la mezcla original de la reacción a nivel atmosférico 2H+ + SO4=, es generada nuevamente a nivel terrestre sin observar un efecto neto del amoniaco en la acidez

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del ecosistema. Se creería entonces que la acidez debida a la sedimentación de los reactantes atmosféricos 2H+ + SO4= tiene el mismo efecto que la precipitación de los productos de la reacción troposférica de neutralización NH4+, H+ y SO4=, ya que dichos productos generan a nivel terrestre los mismos H+ y SO4=. Sin embargo, hay diferencias significativas: 1. La acidez debida a los depósitos de H+ en el suelo se produce de forma inmediata. 2. La acidez debida a los depósitos de NH4+ es retardada en el tiempo y puede ser trasladada a nuevas locaciones en las cuales se producirán los H+. 3. Si existe una saturación de nitrógeno en el suelo, las plantas reducen la absorción de NH4+ y NO3-. La existencia de NO3- y H+ promueve la liberación de iones aluminio Aln+ y cationes básicos presentes en el suelo. Por esta razón, cuando se alcanzan los niveles de saturación por nitrógeno, se producen reservorios de acidez en estos. Un importante fenómeno se produce al tener un exceso de NH3 en la atmósfera, ya que este exceso es depositado por vía seca en los ecosistemas terrestres debido a un efecto bypass en la reacción de neutralización atmosférica. En los suelos, el NH3 reacciona con H+ generando NH4+, el cual es eventualmente nitrificado produciendo cambios en la acidez natural de los suelos. Para comprender un poco más el papel del amoniaco como generador de acidez, se debe tener en cuenta su potencial ácido. Para el NH3, en condiciones de saturación de nitrógeno, cada molécula de NH3 genera dos protones por nitrificación. Según esto, las emisiones de SO2 y NH3 tienen el mismo potencial ácido, siendo este potencial el doble que las emisiones de NOx. En la formación atmosférica de NH4+, el NH3 gana un protón del H2SO4, viéndose reducido el potencial ácido del SO2. Esto explica el por qué del proceso de neutralización atmosférica. Las implicaciones de la emisión de NH3 se pueden tomar desde dos puntos de vista. En una perspectiva reducida, se puede decir que el NH3 promueve la neutralización de los ácidos a nivel atmosférico, sin embargo, desde un punto de vista general, el NH3 causa una acidez retardada en ecosistemas terrestres, en igual magnitud en comparación con el impacto producido por el SO2 y mayor que el impacto producido por el NOx (Galloway, 1995).

3.8 Efectos ambientales de la lluvia ácida Son numerosos los efectos de la lluvia ácida en el ambiente, ya que traslada un problema de la atmósfera al suelo y también al agua; el grado de impacto está relacionado entre otros, con las condiciones ambientales de cada ecosistema, con el nivel de contaminación del lugar y con la capacidad de resiliencia del entorno. Más exactamente, los efectos ambientales de la lluvia ácida varían de acuerdo con la sensibilidad de los ecosistemas a la acidificación, siendo una característica importante la capacidad de neutralización. Generalmente los ecosistemas acuáticos, especialmente en los cuerpos de agua

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lénticos, son los más afectados ya que la producción primaria puede verse perturbada y con ello generar un efecto negativo en la cadena trófica. Otros efectos son la abrasión de la parte aérea de las plantas (las hojas se amarillean) y la alteración de la capacidad de los suelos para descomponer la materia orgánica, interfiriendo en el ciclo normal de nutrientes. Otros efectos importantes tienen que ver con el deterioro de construcciones y materiales. A continuación se presentan en forma detallada los efectos más representativos. 3.8.1 Efectos en suelos y vegetación Los efectos de la acidificación del suelo varían dependiendo sus características. Los suelos erosionables son más ricos en sustancias básicas por lo que su capacidad de neutralización es más efectiva ante condiciones de acidificación; estos suelos son principalmente del tipo calcáreo, basáltico y aquellos que contienen rocas ígneas. Los suelos no erosionables, que contienen principalmente rocas arsénicas, cuarcíferas (cuarzo como material inerte) y terrenos graníticos son los más propensos a la alteración de su química natural por la acidificación. Otra característica importante que determina la capacidad neutralizante de un suelo es la profundidad y el grosor de la capa de humus, siendo los suelos más profundos más ricos en material erosionable. Así mismo, la capa de humus, la cual se ve favorecida por la humedad y es rica en sustancias neutralizantes, facilita la acción “buffer” del suelo. La acidez del suelo provoca que algunos iones metálicos sean arrastrados. Por ejemplo la disolución de aluminosilicatos presentes en el suelo provoca la movilidad del ión aluminio, el cual compite con elementos esenciales para las plantas inhibiendo su crecimiento y desencadenando sequías que afectan el equilibrio ecosistémico. Los efectos de la lluvia ácida en suelos y vegetación se aprecian en la Figura 3.4.

Figura 3.4. Efectos de la lluvia ácida en suelos y vegetación. Fuente: www.ecologismo.com

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Otro aspecto importante tiene que ver con la precipitación de nitratos NO3- en los suelos. Si los procesos de desnitrificación naturales en los suelos se dan en menor proporción que la precipitación de nitratos (los nitratos ejercen un efecto fertilizante a condiciones normales), estos pueden ser arrastrados a los cuerpos de agua por procesos de lixiviación, favoreciendo la eutrofización (crecimiento de algas microscópicas por exceso de nutrientes), la cual tiene desventajas como el bloqueo de rayos solares e impedimento de la fotosíntesis de las plantas del medio y la disminución del oxígeno del medio acuático. 3.8.2 Efectos en sistemas acuáticos Así como los suelos, los acuíferos tienen una determinada acción “buffer”. La lluvia ácida produce una disminución de la capacidad para neutralizar ácidos en los cuerpos de agua. Los efectos en acuíferos se dan de dos formas: acidificación directa por acción de los ácidos causantes de la lluvia ácida (ácidos nítrico y sulfúrico principalmente) e indirectamente por percolación de los suelos, esto último, debido a la acción de la lluvia y el posterior arrastre de metales pesados como el aluminio los cuales llegan a los acuíferos alterando la biota, ya que dichos metales son ingeridos por poblaciones de peces produciendo su intoxicación y afectando las cadenas tróficas. La Tabla 3.4 muestra los niveles de acidez para los cuales determinadas especies son capaces de subsistir en sistemas acuáticos. Por ejemplo, la vida de las truchas se ve seriamente afectada cuando el pH del agua disminuye por debajo de 4,5 unidades. Un aspecto importante para conocer la capacidad de neutralización de un río son las características del lecho. Si este es de roca dura, el desprendimiento de compuestos básicos como carbonatos y bicarbonatos es muy lento y por lo tanto, estos cuerpos de agua son fuertemente acidificados. Por otra parte, si los lechos son fácilmente desgastables, las sustancias básicas aumentan la capacidad de neutralización (Gorham, 1998). Tabla 3.4. Condiciones de pH normales para la supervivencia de especies acuáticas. Fuente: Environmental Protection Agency

En marco del Estudio Nacional de las Aguas de Superficie (National Surface Water Survey, NSWS) desarrollado entre 1984 y 1989, se documentó el estado y la extensión de la acidez crónica, condición en la que el agua mantiene un nivel de pH bajo constante en regiones sensibles a la acidificación a lo largo de Estados Unidos. Se estimó las condiciones químicas de 28.300 lagos y 56.000 corrientes. Las conclusiones reflejan los graves efectos y la magnitud del alcance de la precipitación ácida:

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• La lluvia ácida produjo la acidez del 75 por ciento de los lagos ácidos y en el 50 por ciento de los arroyos ácidos que fueron examinados. • En regiones como las del nororiente de los Estados Unidos, en donde la capacidad de neutralización del suelo es deficiente, algunos lagos registran ahora un valor de pH inferior a 5. Una de las lagunas más ácidas sobre las cuales se informó es la Little Echo Pond en Franklin, Nueva York, en la que se registró un pH de 4,2. • En la Región de los Pinares de Nueva Jersey, por ejemplo, más del 90 por ciento de los arroyos son ácidos, siendo este el porcentaje más alto de arroyos ácidos del país. La acidificación episódica se refiere a los períodos breves en que los niveles de pH disminuyen debido al escurrimiento de la nieve que se derrite o las lluvias fuertes. Los lagos y los arroyos de muchas regiones de los Estados Unidos son susceptibles a la acidificación episódica. El grado de acidez presentado por acidificación episódica es alrededor de tres veces el de los lagos con acidez crónica. La acidificación episódica puede causar “matanzas de peces” (EPA, 2008). 3.8.3 Efectos en la salud humana La lluvia ácida se ve, se siente y sabe igual que la lluvia normal. Caminar bajo la lluvia ácida o incluso nadar en un lago ácido no es más peligroso que caminar o nadar en agua limpia. La lluvia ácida afecta principalmente de forma indirecta la salud humana. Consecuencias directas solo se dan a niveles extremos de acidez, lluvia fuertemente ácida, presentándose afecciones en ojos, piel y pérdida del cabello. Un efecto indirecto importante tiene que ver con el arrastre de metales tóxicos como aluminio y cadmio en los suelos, metales que son liberados a pH inferior a 5 y depositados en los cuerpos de agua. Las poblaciones que se abastecen de agua de los pozos subterráneos se ven afectadas al consumir aguas contaminadas con estos metales. 3.8.4 Efectos en construcciones y materiales Uno de los efectos más importantes cuando se habla del ataque de contaminantes sobre un material es la degradación de los metales, fenómeno conocido comúnmente como corrosión metálica. Este fenómeno implica la oxidación de un metal transformándolo a su correspondiente óxido y ha sido el causante de pérdidas incalculables a nivel mundial. Generalmente, los metales en su estado natural se encuentran en forma de óxidos, siendo utilizadas grandes cantidades de energía en la industria para obtener los metales en forma pura; por ende, el proceso de oxidación (corrosión) hace parte de un ciclo en el cual el metal vuelve a su estado original. El caso del hierro es uno de los más comunes. Este metal se obtiene a partir de su mineral, el óxido de hierro Fe2O3, en un proceso a altas temperaturas en el cual el óxido se combina con carbón. La reacción principal llevada a cabo en los hornos es la siguiente: Fe2O3+ C + Calor

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CO2+2Fe

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En esta reacción, el carbono actúa como reductor. Sin embargo, una vez el metal se pone en contacto con la atmósfera, comienza un ciclo inverso de oxidación gracias al poder oxidante del aire: O3+2Fe Fe2O3

Este proceso hace que el metal pierda propiedades tales como la dureza, conductividad eléctrica y térmica, resistencia mecánica, brillo, entre otras. Hay que destacar que el fenómeno de corrosión se ve favorecido por la humedad del medio y por la presencia de determinados contaminantes atmosféricos. Para el caso específico de la lluvia ácida, se puede decir que uno de los principales causantes de corrosión es el ión sulfato, característico de la disolución del ácido sulfúrico en agua. Este forma sales muy solubles con la mayoría de los metales, sales que son lavadas de la superficie metálica provocando no solo el desgaste del material sino su exposición a un nuevo ataque de contaminantes. Las construcciones y monumentos de piedra así como materiales de construcción como el acero, pintura, plásticos, cemento, mampostería, acero galvanizado entre otros, sufren por la acción de la lluvia ácida. Las piedras de tipo calcáreo (caliza y mármol) son las de mayor susceptibilidad. En la piedra caliza se pueden destacar fenómenos como la eflorescencia, la cual consiste en la recristalización de la calcita luego de la disolución de la caliza debido al ataque ácido superficial, según la reacción: CaCO3+H+ Ca+2+HCO3-

Luego de la evaporación del agua se produce la recristalización, la cual se percibe por la existencia de tonos blanquecinos en la superficie pétrea. Otro fenómeno importante en la piedra caliza es el conocido como sulfatación, el cual es un tipo de eflorescencia. Este fenómeno se produce cuando un agua cargada con iones sulfato está en constante contacto con la piedra, produciéndose una reacción química caracterizada por la formación de yeso según la reacción:

Otro proceso en la calcita es la formación de nitrato de calcio gracias a la acción del agua lluvia cargada con iones nitrato, sin embargo, este proceso es de poca relevancia. Por su parte, el mármol está caracterizado por ser más resistente que la caliza al ataque del medio ambiente, esto debido al proceso de pulimentado al cual es sometido. En dicho proceso, se produce un polvo muy fino que tapona los poros de la piedra, así mismo, el calor generado por la fricción durante el proceso hace que las capas cristalinas externas se fundan parcialmente. Sin embargo, el mármol sufre deterioro debido a un fenómeno denominado exfoliación, el cual se

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caracteriza por el desprendimiento de capas superficiales de la piedra al estar expuesta a altos niveles de SO2. Existen diferentes métodos que se utilizan para proteger o en su defecto retardar el deterioro de la piedra. Un método muy común es la limpieza de la superficie pétrea con vapor o agua caliente. También existen métodos de limpieza con agentes químicos como el ácido fluorhídrico o el bifluoruro de amonio. Una vez realizada la limpieza de la piedra se puede hacer una consolidación de ésta, compuestos como el hidróxido de bario el cual forma sulfatos y carbonatos de bario en los poros de la piedra, y algunos monómeros que polimerizan en los poros son utilizados para la protección de este material. Los depósitos ácidos secos ensucian los edificios y otras estructuras, lo cual se traduce en mayores costos de mantenimiento. La corrosión de los vehículos también incide en la necesidad de pintar con mayor frecuencia los vehículos para su protección, lo que implica mayores costos. La Figura 3.5 muestra una de las estructuras representativas de la ciudad de Manizales, la Catedral Basílica, la cual refleja el deterioro normal al cual se ven expuestas este tipo de estructuras de concreto. Es posible que la contaminación atmosférica haya acelerado este proceso de deterioro, identificable por el color pardo que ha tomado la parte externa de la catedral a lo largo de los años.

Figura 3.5. Catedral Basílica de Manizales. Foto: Carlos Mario González.

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Otra muestra de los efectos del deterioro de materiales puede observarse en la Figura 3.6 en la cual se presenta el monumento Bolívar Cóndor hecho en bronce y concreto, ubicado en el centro de la ciudad de Manizales.

Figura 3.6. Monumento Bolívar Cóndor. Fotos: Juan Pablo Mariscal.

3.8.5 Reducción de la visibilidad Los sulfatos y nitratos que se forman en la atmósfera a partir de las emisiones de dióxido de azufre SO2 y óxidos de nitrógeno contribuyen a la disminución de la visibilidad, o sea que no podemos ver tan lejos o tan claramente a través del aire. Este aporte influye en lo que se conoce como el oscurecimiento global, el cual tiene implicaciones en la radiación que entra en la tierra, siendo un efecto contrario al calentamiento global.

3.9 La meteorología en la lluvia ácida Las propiedades de capa guardan relación con la actividad química de los componentes contaminantes. La capa de mayor importancia es la troposfera, que contiene el aire que respira el hombre y en la que se desarrollan todos los procesos meteorológicos. Las propiedades físicas más importantes de la atmósfera son: • Movilidad y compresibilidad: El aire se encuentra en constante movimiento debido a las permanentes corrientes que se desarrollan en su interior. • Compresibilidad y expansibilidad: La presión de la atmósfera varía proporcionalmente a la densidad y temperatura de la misma.

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• Diatermancia: Es transparente a las radiaciones solares. La atmósfera tiene la misma forma de la Tierra, es aplastada en los polos y ensanchada en el Ecuador. En ella se producen fenómenos químicos, como la oxidación y la combustión. 3.9.1 Composición de la atmósfera El aire es una mezcla bastante estable de gases cuyas proporciones relativas varían en las proximidades de la superficie terrestre. Existen algunas excepciones, siendo la más importante la del vapor de agua, limitado casi exclusivamente a la troposfera por los procesos de condensación y precipitación y donde puede alcanzar valores de hasta el 5% en volumen en algunos puntos o estar casi totalmente ausente en otros. Sin embargo, su rango normal oscila entre 1-3%. La composición del aire dentro de varios kilómetros a nivel terrestre consiste principalmente de nitrógeno, 78.08% (en volumen) y oxígeno en un 20.95%. Dos gases con contribuciones minoritarias son el argón 0.934 % y el dióxido de carbono 0.036 %. En adición al argón, cuatro gases nobles hacen parte de la mezcla de gases que conforman el aire: neón con 1.818 x 10-3 %, helio, 5.24 x 10-4 %, el kriptón con 1.14 x 10-4 % y el xenón, 8.7 x 10-6 %. En la Tabla 3.5 se muestran algunos gases que se encuentran como trazas. Tabla 3.5. Trazas de gases atmosféricos a nivel terrestre. Fuente: Stanley (2000)

Las proporciones relativas de los componentes mayoritarios permanecen casi invariables, al menos hasta los 80 km. A mayor altura, la producción de oxígeno y nitrógeno atómico es considerable, lo que cambia la composición porcentual de esos dos componentes.

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3.9.2 Nociones básicas de meteorología Como se ha mencionado, las actividades antrópicas producen cambios en la composición de la atmósfera. Las emisiones de los gases de efecto invernadero y de otros gases contaminantes cambian la calidad del aire, lo que influye en las variaciones del estado meteorológico del tiempo. Por lo tanto, es importante conocer los diferentes procesos y variables meteorológicas involucradas para que sea posible realizar un mejor diagnóstico y pronóstico de la calidad del aire, y viceversa: tener un conocimiento de los cambios que sufre el aire en nuestro entorno ayuda a entender mejor los cambios en la meteorología local. En Colombia es el IDEAM la entidad encargada de suministrar un pronóstico del tiempo y la calidad de aire, sin embargo, aún queda mucho por estudiar y entender, básicamente debido a la alta variabilidad espacial y temporal presente en todos los procesos meteorológicos. La atmósfera es la capa gaseosa que rodea la Tierra que se encuentra atrapada por la acción de la gravedad y cuya presencia es esencial para la dinámica del planeta. Esta capa gaseosa presenta un máximo de densidad en la proximidad de la superficie de la Tierra y gradualmente se disminuye a medida que gana altitud hasta que finalmente desaparece llegando a ser indistinguible del gas interplanetario. El 90% de su masa total se encuentra confinada en los primeros 20 km y desde el punto de vista de su composición un 99% formada por una mezcla de oxígeno y nitrógeno molecular siendo el resto casi en su totalidad argón y dióxido de carbono. Otros compuestos menores en cantidad pero muy importantes son el vapor de agua, el metano, el ozono y el óxido nitroso, entre muchos otros. La atmósfera también contiene pequeñas partículas de polvo, sales del océano, residuos de humo, bacterias, esporas, semillas, cenizas volcánicas y partículas meteóricas que sirven como núcleos de condensación para la lluvia (Pabón et al., 2008). La atmósfera se compone de diversas capas y su clasificación más frecuente depende de cómo se comporta la temperatura en ella. La troposfera es la primera capa y se encuentra en relación directa con la vida en la tierra, ya que en ella se dan la mayor parte de los fenómenos determinantes del estado del tiempo y actúa como una capa aislante que impide la salida de calor de la Tierra. La temperatura en la troposfera disminuye a una tasa media de 6.5 ºC por cada kilómetro de elevación. La troposfera sobre el territorio colombiano es más alta que en cualquier otra latitud y, aunque su altitud es variable, se puede decir que alcanza en promedio los 16 kilómetros (Pabón et al., 2008). La presión atmosférica es el peso de una columna de aire que tiene como base la unidad de superficie. La presión disminuye con el aumento en la altura sobre la superficie del nivel del mar, esta tasa de decrecimiento es rápida al principio y lenta cuando se aumenta la altitud. El viento es aire en movimiento y aunque en general su movimiento es tridimensional sólo se considera la velocidad y la dirección de la componente horizontal. En el análisis del viento se suelen considerar desde la escala planetaria hasta la pequeña escala o turbulencia, a la meteorología le interesa la mesoescala que cubre aproximadamente unos 100 km2, tratando de capturar el efecto sobre las tormentas y las brisas. La escala de interés más regional es la sinóptica y la más grande es la planetaria. Los vientos de ladera y de valle durante la noche suponen un descenso de aire frío por las laderas de las montañas, también conocidos como vientos catabáticos. Durante el día el aire más

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ligero relacionado con el calentamiento intenso de las laderas soleadas asciende por éstas en lo que se denominan vientos anabáticos. Ambos vientos, catabáticos y anabáticos, suponen un círculo de recirculación propio de las regiones montañosas. Cuando un objeto se siente caliente, sus átomos se están moviendo rápidamente en direcciones aleatorias y cuando se siente frío, el movimiento de sus átomos es lento. Por lo tanto, la temperatura es un indicador de la energía cinética de las moléculas. Cambios en la temperatura son el resultado de pérdida o ganancia de energía por la absorción o emisión de la energía radiactiva. El calor es una forma de energía y como tal, puede pasar de un cuerpo a otro por radiación, conducción o convección. La temperatura es una medida de la cantidad de energía que poseen el suelo y el aire en forma de calor, por lo que si se suministra calor su temperatura aumenta. Debido a la rotación de la Tierra alrededor de su eje, la radiación neta sufre un ciclo diario que determina el aumento y caída de la temperatura del aire durante el día y la noche, respectivamente. La presencia de ciudades cambia el balance energético y por consiguiente la temperatura con respecto a su entorno, básicamente debido a la presencia de industrias, a las áreas de cemento, ladrillo y asfalto que absorben el calor durante el día y lo liberan durante la noche. Además, la capa de contaminantes que se sitúa en la atmósfera cercana actúa como reflector de radiación infrarroja. Este conjunto de modificaciones supone la aparición del efecto “isla de calor”, que es capaz de generar de manera propia una circulación convectiva caracterizada por vientos débiles que penetran en el interior de la ciudad y en ocasiones son capaces de modificar el régimen de lluvias en la ciudad. El Sol emite energía en forma de radiación electromagnética, pero la Tierra sólo intercepta una porción de esta energía, ya que parte es reflejada al espacio y parte es absorbida por la atmósfera, por lo que una vez que alcanza la superficie terrestre se conoce como radiación solar. La variación espacial de la radiación solar depende de la posición tanto latitudinal como en altitud; en cuanto a la variación temporal depende de la rotación de la tierra, es decir, los ciclos diurnos, de la traslación de la Tierra, o sea el ciclo anual y de otros ciclos de varios a miles de años. De esta forma, la Tierra está en equilibrio radiante entre la radiación solar incidente, la reflejada y la emitida. En promedio cada 11 años el Sol tiene un periodo de actividad llamado máximo solar, seguido por un periodo de menor actividad llamado el mínimo solar. Los máximos solares se caracterizan por la presencia de muchas manchas solares, que son explosiones y eyecciones de masa en la corona del Sol. Estas manchas pueden afectar las comunicaciones y el clima en la tierra. La atmósfera contiene agua en forma de vapor, en gotas de condensación y en estado sólido. La humedad absoluta se refiere a la cantidad total de vapor de agua que se encuentra en el aire y varía según la temperatura. El aire caliente puede contener más cantidad de vapor que el aire frío. A mayor temperatura del aire mayor el contenido de vapor de agua, cuando la temperatura disminuye, si la cantidad de vapor de agua se mantiene constante, la humedad aumenta. Lo que explica que la humedad aumente generalmente por la noche. La humedad relativa es la cantidad de agua que hay en el aire con relación a la máxima que puede tener a una determinada temperatura. Las grandes masas de agua minimizan los cambios de temperatura, mientras que los continentes permiten fuertes variaciones ya que tienen propiedades muy diferentes cuando se habla de absorción

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y radiación de energía. La superficie de un cuerpo de agua se calienta y se enfría más lentamente que la superficie de un terreno si están sometidos a la misma cantidad de radiación, básicamente porque el calor específico del agua es mucho mayor, la mezcla que se produce en el agua mediante la turbulencia conduce el calor a zonas más profundas mientras que en la Tierra no se produce mezcla, además la evaporación produce enfriamiento del agua debido al intercambio calórico con la atmósfera. Los terrenos pantanosos, húmedos y las áreas con vegetación espesa tienden a atenuar los cambios de temperatura. Las zonas semiáridas y desérticas permiten cambios grandes de temperatura. La niebla es el resultado de la inversión del gradiente natural de temperatura con la altitud, se produce principalmente durante la noche y las madrugadas cuando la Tierra pierde su calor y se enfría más rápido haciendo que el aire circundante se enfríe; mientras que por encima la temperatura aumenta debido al ingreso de aire caliente en las capas superiores de la atmósfera o a la presencia del Sol. 3.9.3 La circulación tropical La circulación general atmosférica de los vientos se produce por convección. La circulación de los vientos no es la misma en todos los sitios a causa de la rotación de la Tierra, en el hemisferio norte se mueven en el sentido de las agujas del reloj alrededor de un área de alta presión (anticiclón), y en sentido contrario en un área de bajas presiones (depresión o ciclón). En el hemisferio sur los vientos se mueven en sentido contrario. Normalmente en el Ecuador la temperatura del aire que está en contacto con la superficie es elevada y la presión es baja, lo que provoca que el aire ecuatorial forme los vientos Alisios, que provienen del noreste y del sureste y convergen cerca del Ecuador formando la Zona de Confluencia Intertropical, ZCIT. En esta zona, las masas de aire suben hasta la tropopausa por el calentamiento diurno, durante el ascenso se produce condensación por enfriamiento, favoreciendo la formación de nubes de gran desarrollo vertical, que a su vez producen abundantes lluvias. La ZCIT se puede ver en los mapas de distribución de presión atmosférica y se mueve de norte a sur coincidiendo con cambios en la presión, siendo su movimiento más marcado en los continentes que en el océano y se ha asociado con cambios estacionales en vientos, nubosidad y lluvia. En la alta troposfera, ese aire se aleja del Ecuador bajo la forma de una corriente de retorno. En el hemisferio norte, la dirección de esa corriente se orienta progresivamente hacia el suroeste; en el hemisferio sur se orienta al noroeste. Estos vientos de retorno se denominan contralisios. Parte de este aire de retorno desciende, provocando un calentamiento del aire por compresión creando zonas de altas presiones reduciendo el desarrollo de las nubes, esto se produce aproximadamente a los 30 grados de latitud. En cercanía de la superficie, los vientos en estas regiones secas son variables y débiles antes de constituirse en vientos alisios para alcanzar el Ecuador. De esta manera se forma en cada hemisferio, el circuito meridional de una amplia célula convectiva conocida como Celda de Hadley.

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Otra parte de la corriente de retorno que viene del Ecuador, no sufre ese movimiento de descenso en las latitudes de 30 grados y sigue su movimiento hacia latitudes más altas. Si la Tierra no rotara sobre su eje, los vientos seguirían la dirección del gradiente de presión atmosférica. La dirección del viento depende directamente de la distribución de las presiones, pues el viento tiende a soplar desde la región de altas presiones hacia la de presiones más bajas. Simultáneamente con la Celda de Hadley o circulación meridional, en el trópico se desarrolla una circulación zonal a través de los paralelos en la cual se destacan las zonas de convección y lluvia localizadas en el Congo (África), la Amazonía y el Sudeste Asiático. La circulación de Walker o El Niño oscilación del sur ENSO, se refiere a la circulación normal en el plano este-oeste (zonal), cuando la presión es alta en el océano Pacífico tiende a ser baja en el océano Índico y viceversa; esta condición está asociada a temperaturas bajas en la superficie del mar en el Pacífico occidental y a lluvias intensas en el oriental. La descripción de este fenómeno se ha hecho por medio del Índice de la Oscilación del Sur (IOS), entre muchos otros, el cual se define como la diferencia de las anomalías mensuales de presión estandarizadas por sus las desviaciones típicas entre Tahití (Polinesia Francesa) y Darwin (Australia). En esta oscilación, el aire seco desciende lentamente desde la alta troposfera sobre las aguas frescas del Pacífico Oriental, fluye luego hacia el oeste a lo largo del Ecuador como parte del sistema de vientos Alisios del sudeste, llevado por la acción de la alta presión en el este y la baja en el oeste. Según se va desplazando sobre aguas más cálidas, el aire se va calentando y humedeciendo hasta llegar a la región Australia-Indonesia, donde su humedad es condensada al ascender en la zona de baja presión, formando nubes de gran desarrollo vertical que producen abundantes lluvias en esa región. El retorno del aire se produce por el flujo hacia el este en la alta troposfera cerrando el círculo de la circulación. (IDEAM, 2008) 3.9.4 Comportamiento de la lluvia ácida con respecto a la meteorología El comportamiento de la lluvia ácida y de los demás fenómenos asociados a la contaminación atmosférica, no sólo involucra el fenómeno de la precipitación y la emisión de gases sino que está en función de las variables meteorológicas que de una u otra manera intervienen en su formación y/o en su transporte y dispersión. Un contaminante, una vez emitido a la atmósfera, sufre una serie de transformaciones físicas y químicas que forman parte de un ciclo. Básicamente, el ciclo consiste, en primer lugar, en una mezcla de los contaminantes a causa de las turbulencias atmosféricas, favorecidas por el relieve de la superficie terrestre. A esto le sigue su dispersión por la atmósfera, la cual está favorecida por la circulación dominante de las masas de aire, con lo que, además, se logra una distribución homogénea de los contaminantes en una extensa región horizontal de la atmósfera. Posteriormente, los contaminantes pueden retornar a la superficie terrestre o bien sufrir transformaciones químicas que, eventualmente, pueden dar lugar a otros contaminantes. La última etapa del ciclo consiste en el retorno de los contaminantes, tanto primarios como secundarios, mediante precipitación seca o húmeda, incorporándose en este último caso en el agua de lluvia.

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Al hablar de los fenómenos de transporte de contaminantes, es necesario mencionar que ésta es la principal razón por la que la contaminación y la lluvia ácida son consideradas de efecto transfronterizo. La dirección y velocidad de los vientos juega un papel preponderante, ya que su análisis permite conocer los posibles reservorios de contaminantes y en parte, los lugares en los cuales se depositarán las sustancias ácidas. Pero, este no es el único componente de la relación entre contaminación y meteorología. Como se explicó en la química, las transformaciones de precursores en compuestos ácidos y la velocidad de estas transformaciones, dependen fuertemente de condiciones físicas, principalmente la temperatura, la radiación solar y la humedad. Por lo tanto, la meteorología de cierta zona debe ser conocida e interpretada en detalle, con el fin de determinar las posibles condiciones de la precipitación, no solo húmeda sino también seca.

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La contaminación del aire es un tema de gran importancia y de interés general dados los efectos nocivos presentados sobre los ecosistemas y sobre la población en general. La zona de influencia de esta investigación comprende el sector urbano de Manizales, ciudad ubicada en la Cordillera Central de la zona Andina Colombiana a aproximadamente 2150 msnm, urbe de limitada actividad industrial y de moderado nivel poblacional. Por tal motivo, el desarrollo de estudios de esta índole permite identificar problemas de contaminación para contribuir a la adopción de políticas ambientales que mitiguen los efectos actuales y futuros de la contaminación atmosférica por parte de los entes encargados. La realización de trabajos relacionados con la calidad del aire en la ciudad de Manizales se justifican debido a: • La cercanía del volcán Nevado del Ruiz, ya que es de gran interés determinar el grado de influencia de las emisiones naturales gaseosas sobre la calidad del aire de la ciudad. • No existe una red de monitoreo de calidad del aire en la ciudad, los estudios existentes han sido dirigidos hacia mediciones en sitios puntuales. • No hay un diagnóstico de las características de la lluvia en el área urbana que permitan identificar zonas críticas de contaminación. • No se han trazado las políticas adecuadas sobre la evaluación de los efectos de la contaminación atmosférica por parte de las autoridades ambientales. • Las emisiones gaseosas producto de un elevado índice de vehículos por habitante tal como se muestra en la Tabla 4.1. • La utilización de un combustible de baja calidad; véase la Tabla 4.2

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• La existencia de actividad industrial aunque sea moderada, se destacan el sector metalúrgico, alimentos y electrodomésticos. Tabla 4.1. Densidad vehicular en algunas ciudades de Colombia. Fuente: Observatorios Ambientales Urbanos.

Tabla 4.2. Concentración de azufre (PPM) de los diferentes combustibles. Fuente: Observatorios Ambientales Urbanos.

4.1 Generalidades de la ciudad de Manizales Manizales se encuentra ubicada en la Cordillera Central, en la vertiente occidental de la región Centro – Andina Colombiana con una altitud que va desde los 900 hasta los 2220 msnm. Su desarrollo urbano se ha dado entre laderas de media a alta pendiente. Tiene una precipitación media anual cercana a los 1.870 mm, con intensidad promedio de sus aguaceros que varía entre 10 y 40 mm/h y una duración típica menor de una hora. Presenta un

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régimen bimodal de lluvias, alternando periodos secos y lluviosos, y una temperatura media anual de 16.5°C con fluctuaciones entre 13°C y 21,4°C. Los registros de las variables monitoreadas en las estaciones meteorológicas de la ciudad, permiten identificar un comportamiento heterogéneo del clima en Manizales, distinguiéndose microclimas dentro del área urbana de este municipio. La ciudad de Manizales tiene una población promedio de 379.000 habitantes, según el censo de 2005, en un área aproximada de 570 km2, su actividad industrial comprende la industria de alimentos (producción de dulces, café, gelatina, chocolate, bebidas gaseosas y lácteos), industria de herramientas agrícolas, industria de electrodomésticos, industria metalmecánica, industria de acería, industria de calzado, industria de licores, industria de autopartes, industria de elementos de construcción, industria textil e industria de herramientas. Otros renglones importantes dentro de la economía de la ciudad son el turismo por la oferta ambiental de la ciudad y sus alrededores, así como la educación, que concentra una gran cantidad de estudiantes y sustenta en cierta medida el comercio y otras economías de pequeña escala. Una característica de la ciudad es su interés permanente por el monitoreo ambiental y por la generación de conocimiento que contribuya al control y/o mitigación de los problemas generados por las actividades humanas. Es por esta razón que Manizales tiene reconocimiento a nivel nacional e incluso internacional, en cuanto al liderazgo de procesos que contribuyan a hacer sostenible el desarrollo de la ciudad.

4.2 Metodología del monitoreo El diagnóstico preliminar de la precipitación ácida en la ciudad de Manizales comprende el seguimiento de depósitos húmedos y depósitos secos. 4.2.1 Depósitos húmedos La selección de los puntos de muestreo se realizó con base en los siguientes ítems: • El comportamiento de los vientos durante las jornadas diurna y nocturna. • Distribución espacial en el área urbana de la ciudad. • Facilidad de acceso a los sitios de muestreo. • Zonas de escasa circulación y alejadas de emisiones directas del sector industrial. • Preferiblemente zonas sin edificios o árboles cercanos en un radio de 10 metros. • Cercanía a las estaciones meteorológicas de la red de monitoreo de la ciudad. • Las condiciones de seguridad.

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Siguiendo estos parámetros fueron inicialmente seleccionados 10 puntos, luego de una evaluación detallada se depuraron a siete (7) puntos de muestreo, que se observan en la Figura 4.1.

Figura 4.1. Ubicación de puntos de muestreo para precipitación húmeda y seca en la zona urbana de la ciudad. Adaptado para el estudio del POT de Manizales.

El equipo colector de lluvia sufrió modificaciones durante la investigación. Inicialmente se implementó un equipo modular de acero, en el que se colocaba el plástico colector con un área de 1m2 utilizando soportes de madera en los extremos del mismo, estos soportes encajaban en los tubos de acero y permitían que el plástico colector quedara sujeto al equipo. Debido a la dificultad de transporte del equipo y su elevado peso, se optó por implementar un equipo de tubos de policloruro de vinilo PVC, y en reemplazo de los soportes de madera para el plástico colector, se utilizaron amarras en los cuatro vértices del plástico, las cuales se sujetaban a los tubos y hacía posible modificar la pendiente de caída de agua en el plástico. Esta última modificación resultó ser muy útil en aquellas estaciones donde el suelo no era uniforme y plano. Para las salidas de campo se consultó la información meteorológica disponible en el IDEA de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, a través de la red de estaciones meteorológicas. El conocimiento del estado del tiempo en la ciudad y algo de suerte permiten intuir el inicio de un evento de lluvia. Puesto que es complicado predecir exactamente en tiempo y espacio la ocurrencia de las lluvias, se emplearon los valores de humedad relativa, presión atmosférica y temperatura ambiente para seleccionar el posible sitio de toma de muestra de depósitos húmedos. Una vez determinado esto, el equipo humano encargado de la toma de muestras se dirige a la estación con el fin de captar el evento de lluvia desde su inicio, y poder realizar un seguimiento exhaustivo de los parámetros a medir durante el transcurso del mismo. Los materiales y equipos necesarios para las

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salidas de campo incluyen: Equipo colector en PVC, pH-metro previamente calibrado, beaker plásticos con capacidad de 250 ml, hojas para toma de datos en campo, sombrillas, capas protectoras para el personal, recipientes plásticos para captar las alícuotas recogidas, cronómetro, ácido clorhídrico de concentración 1 normal para proteger la muestra enviada el análisis de nitratos, lapiceros y marcadores para rotular las muestras, cinta para rotular, servilletas y un pedazo de tela pequeño para secar tanto la sonda del pH-metro así como los recipientes con las muestras, nevera para almacenar las muestras y agua destilada. Dos personas realizan los muestreos, la primera se encarga de recolectar las alícuotas durante el transcurso del evento de lluvia, y se ubica debajo del plástico colector para recolectar las muestras en los beaker en cantidades de 50, 100, 150, 200 y 250 ml dependiendo de la intensidad del evento. Inmediatamente se tomaba una alícuota, que se entrega al segundo miembro del equipo quien se encarga de realizar la medición de pH, anotar los tiempos de recepción de la muestra y depositar las alícuotas en los recipientes plásticos para el posterior análisis de laboratorio. En general, una vez comienza el evento de lluvia, se registra la hora de inicio, luego se registra el tiempo en el cual cae la primera gota de lluvia en el primer beaker y el tiempo en el cual alcanza una cantidad determinada, este paso se repite para los demás beaker utilizados. En lo posible, se realizan mediciones durante todo el evento de lluvia; en algunos casos, por la intensidad y duración del evento, se hace necesario detener la medición ya que se agotan los recipientes para la recolección de las muestras. También se presentan casos en los cuales el evento de lluvia había comenzado cuando el personal llega a las estaciones, las mediciones se realizan anotando las observaciones respectivas para estos casos particulares. En la Figura 4.2 se muestran los tres tipos de recipientes utilizados para el envío de las muestras al laboratorio: frascos ámbar para almacenar las muestras destinadas al análisis de nitratos, recipientes plásticos de un litro y un galón de capacidad para almacenar las muestras restantes, las cuales se someten a los siguientes análisis de laboratorio: Sulfatos, conductividad, nitrógeno amoniacal, cloruros, calcio, magnesio. Siguiendo el orden de mayor a menor prioridad, definido por el equipo de trabajo.

Figura 4.2. Recipientes empleados para almacenar las muestras. foto: Juan Pablo Mariscal.

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Para todos los eventos de lluvia evaluados se realiza un seguimiento de pH, y se determina este parámetro de la muestra global, es decir, como cada alícuota se agrega a un recipiente, es posible obtener el pH final de la muestra. Otro aspecto importante es el hecho que en algunos eventos de lluvia es posible realizar el seguimiento del comportamiento de los nitratos, sulfatos y conductividad para diferentes muestras en diferentes tiempos del mismo, gracias a que la intensidad y duración del evento permiten obtener un volumen suficiente, con lo cual se pretende corroborar el fenómeno de lavado atmosférico. La idea fundamental es realizar muestreos durante períodos diurno y nocturno del día. Sin embargo, por razones de seguridad y disponibilidad de tiempo, se realizaron muy pocos muestreos en la noche. El protocolo de muestreo se presenta en el Anexo 1. 4.2.2 Depósitos secos La selección de los puntos de muestreo se realizó con base en los siguientes aspectos: • Distribución espacial en el área urbana de la ciudad. • Facilidad de acceso a los sitios de muestreo. • Zonas de baja circulación de vehículos y alejadas de emisiones directas del sector industrial. • Preferiblemente zonas sin edificios o árboles cercanos en un radio de 10 metros. • Zonas con presencia de plantas y arborización adecuada para realizar extracción de material particulado de las hojas. • Condiciones de seguridad. El procedimiento de muestreo se realiza con base en el protocolo descrito por Antolínez (2003). Básicamente consiste en la extracción de material particulado de las hojas de árboles y plantas ubicadas en sitios seleccionados, empleando un pincel y depositando el material extraído en recipientes plásticos con tapa. Los recipientes son enviados al laboratorio donde se realiza el pesaje de las muestras y su dilución en agua destilada y desionizada a una concentración fija. La solución resultante se somete a un proceso de filtración al vacío para determinar el pH de la misma. Este procedimiento permite establecer si las partículas disueltas en el agua generan un aumento o descenso del pH en el agua de dilución. La selección de los puntos tuvo como parámetro principal la zonificación total del área urbana. Inicialmente se seleccionaron 45 puntos los cuales fueron evaluados y depurados hasta dejar sólo 19 puntos de muestreo. Como parámetro para la realización de las campañas de muestreo, se

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establece un mínimo de una semana de tiempo seco, sin embargo, por las condiciones de invierno que presentó la ciudad durante los meses de la investigación, este tiempo se redujo a tres días de tiempo seco. A pesar de la reducción en dicho tiempo, sólo se pudo realizar una campaña de muestreo para cada estación ya que el invierno no permitió la realización de nuevas campañas. El Anexo 2 presenta el protocolo detallado del muestreo y el análisis. En la Figura 4.1 se muestra la ubicación de las estaciones y puntos de muestreo para la identificación de depósitos húmedos y secos.

4.3 Comportamiento meteorológico para la ciudad de Manizales Previamente a los análisis de la física y la química de la lluvia ácida, se realizó una exploración sobre el comportamiento de las variables meteorológicas que se están monitoreando en la ciudad de Manizales, análisis que comprende la relación existente entre la cantidad de lluvia caída en una estación con las variables restantes. Se han seleccionado para presentar en este informe sólo dos períodos de análisis para una sola estación, la estación de Posgrados, ubicada en el campus Palogrande de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. Sin embargo, el análisis se ha realizado para todos los episodios en los cuales se tomaron muestras de lluvia ácida y para todas las estaciones disponibles en la red, con el fin de encontrar coherencia entre los datos registrados y la física del fenómeno. El análisis llevado a cabo debe mirarse con mucha precaución, puesto que por ningún motivo pretende reemplazar un análisis detallado del ciclo diurno y nocturno de las variables meteorológicas para la ciudad de Manizales, el cual se encuentra en proceso por parte del IDEA de la sede Manizales en el que se involucran análisis de series temporales. Los análisis presentados en este apartado son locales en el tiempo y pretenden mostrar las particularidades propias de cada evento y su relación con las demás variables meteorológicas. Para estos análisis no se incluyeron los registros de la evapotranspiración ya que esta medida de evapotranspiración se realiza de forma indirecta, no se trata de una medición de campo, por este motivo la evapotranspiración va a ser función o va a estar relacionada con todas las variables anteriores. Un análisis detallado de la física del fenómeno de la lluvia y la relación existente entre las variables meteorológicas se puede observar en Vélez et al. (2000), Jaramillo (2002) y Mesa (2008). 4.3.1 Evolución espacio temporal de la lluvia La evolución de la lluvia en el tiempo y en el espacio es de gran interés para comprender el comportamiento de la lluvia en la ciudad de Manizales y en especial para entender el movimiento de los frentes de lluvia que se presentan en la ciudad. A continuación se presenta el análisis realizado a algunos de los eventos de lluvia registrados y durante los cuales se realizó el muestreo de la componente húmeda de la lluvia ácida. Se han

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seleccionado episodios lluviosos con base en su magnitud y duración, de tal forma que sean una muestra representativa de los eventos de lluvia que ocurren en la ciudad de Manizales. La primera lluvia que se muestra en la Figura 4.3 corresponde al episodio ocurrido el 10 de abril de 2008, en el que se observa que el evento de lluvia ocurre inicialmente en la parte oriental de la ciudad, posteriormente se intensifica la lluvia en el centro de la ciudad y la zona noroccidental para finalmente concentrarse una lluvia más intensa en la zona norte asociada a la estación ubicada en el relleno sanitario de EMAS y al occidente de la ciudad.

Figura 4.3. Evolución espacio temporal de la lluvia ocurrida el 10 de abril de 2008. Fuente: propia.

El segundo evento que aparecen en la Figura 4.4 corresponde a la lluvia del día 11 de abril, el cual se origina inicialmente en la zona de los barrios La Carola, La Cumbre y Viveros, posteriormente se detecta fuertes lluvias en la zona de La Playita y Chipre, con lluvias intensas en casi toda la ciudad. Finalmente, el aguacero de reduce en intensidad con persistencia en toda la ciudad.

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El movimiento del aguacero en términos generales cruza toda la ciudad desde el norte hacia el suroccidente, con zonas de menor intensad de lluvia en el suroriente de la ciudad.

Figura 4.4. Evolución espacio temporal de la lluvia ocurrida el 11 de abril de 2008. Fuente: propia.

En la Figura 4.5 se muestra la evolución espacio temporal del aguacero ocurrido el 2 de mayo de 2008, el cual inicial con una ligera lluvia en la zona de Palogrande, posteriormente se observa el ingreso de un frente de lluvia por la zona noroccidental de la ciudad en cercanía del relleno sanitario de EMAS, en donde se mantiene la lluvia mientras se observa la aparición de un frente lluvioso en el sur de la ciudad, estos frentes tienden a intensificarse para finalmente desaparecer. Las lluvias más intensas se observan en los barrios Aranjuez y Chipre. En términos generales, se observa lluvia en toda la ciudad con un movimiento de la lluvia hacia el sur. El comportamiento de la lluvia ocurrida el 20 de mayo de 2008 se aprecia en la Figura 4.6. Inicialmente, la lluvia se concentra en la zona suroriental de la ciudad con un movimiento hacia el noroccidente, para finalizar con una lluvia ligera sobre toda la ciudad y en especial en la zona suroriental, donde se inició. Las lluvias más intensas se observan en la zona del Ecoparque Los Yarumos y en la zona del Hospital de Caldas. Este movimiento de la lluvia se aprecia en dos fases de lluvia intensa en la zona suroriental con intentos de movimiento hacia el noroccidente.

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Figura 4.5. Evolución espacio temporal de la lluvia ocurrida el 2 de mayo de 2008. Fuente: propia.

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Figura 4.6. Evolución espacio temporal de la lluvia ocurrida el 20 de mayo de 2008. Fuente: propia.

En la Figura 4.7 se aprecia el evento ocurrido el 13 de junio de 2008, el cual inicia en cercanía del Ecoparque Los Yarumos y se intensifica en este sitio mientras permanece una ligera lluvia en toda la ciudad. Posteriormente, en la zona de La Nubia se inicia un nuevo frente de lluvia que muestra una tendencia de movimiento hacia la zona suroccidental de la ciudad, para finalmente terminar con una lluvia intensa al noroccidente y una lluvia ligera en la zona suroriental de la ciudad.

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Figura 4.7. Evolución espacio temporal de la lluvia ocurrida el 13 de junio de 2008. Fuente: propia.

El evento de lluvia ocurrido el 1 de julio de 2008 se ilustra en la Figura 4.8. Este episodio se inicia con mayor intensidad en la zona noroccidental de la ciudad, luego se registra un pequeño aguacero en toda la ciudad para continuar con una lluvia más intensa en la zona de Chipre y del Ecoparque Los Yarumos y lluvia ligera en la zona de Maltería y de La Linda. Finalmente, el aguacero se reduce fuertemente pero con un valor ligeramente mayor en las zonas de La Nubia, Maltería y el Ecoparque Los Yarumos. En este caso el movimiento general del aguacero ha sido del noroccidente hacia el suroriente, cruzando por la zona sur de la ciudad.

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Figura 4.8. Evolución espacio temporal de la lluvia ocurrida el 1 de julio de 2008. Fuente: propia.

En general, se puede decir que las lluvias que se presentan en la ciudad de Manizales presentan una alta variabilidad tanto espacial como temporal, en donde los movimientos típicos de los aguaceros en la ciudad que se han identificado se presentan por toda la ciudad, desde el noroccidente en la zona Chipre, el relleno sanitario EMAS, por el Ecoparque Los Yarumos, por el sur de la ciudad y por la zona de la Nubia y el suroriente de la ciudad.

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Todos estos frentes se pueden justificar desde un punto de vista macroclimático. Los frentes que provienen del noroccidente probablemente son la consecuencia del efecto convectivo de las corrientes de aire que ascienden desde el valle del río Cauca, los frentes que ingresan desde el Ecoparque Los Yarumos y el relleno sanitario de EMAS provienen de las zonas de protección y más húmedas ubicadas al norte de la ciudad de Manizales. Aquellos aguaceros que hacen su ingreso a la ciudad por la zona de suroriental provienen de la presencia de frentes de lluvia del parque Natural Los Nevados. Finalmente, las lluvias observadas provenientes del valle del Chinchiná ingresan a la ciudad por el sur, registrándose inicialmente en el barrio Aranjuez. 4.3.2 Análisis de datos desde abril 10 al 13 de 2008 Durante estas fechas se realizaron tres muestreos de la componente húmeda de la sedimentación ácida. En la Figura 4.9 se muestra la relación entre la precipitación y la presión barométrica, la cual a pesar de presentar un pequeño rango de variación con valores de 3.5 mm Hg, que es muy estrecho, se observa que antes de la lluvia ha existido una disminución de la presión, lo cual es de esperar. La variabilidad que muestra la presión es típica de las variaciones diurnas y nocturnas y se observa un ciclo que se repite. Es importante destacar el papel que juega la altitud en la presión barométrica, ya que en una ciudad como Manizales donde existen diferencias de altura importante, es factible observar estas mismas diferencias de acuerdo con la altitud en la que se encuentren ubicadas las estaciones meteorológicas.

Figura 4.9. Relación entre la precipitación y la presión barométrica, valores tomados entre el 10 y el 13 de abril de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

Para la velocidad y dirección del viento, se trata de variables que se pueden observar en la Figura 4.10, donde se aprecian las bajas velocidades del viento presente, con valores puntuales máximos alrededor de 7 m/s, lo que corresponde a brisas moderadas en la clasificación de los vientos. El comportamiento general no muestra una relación entre la precipitación y estas variables, sin embargo, se aprecia un comportamiento cíclico tanto en las velocidades como en las direcciones, donde se observa una inversión del sentido del viento durante el día y la noche. La brisa reportada para esta estación es baja durante la noche y presenta mayores fluctuaciones durante el día. Todo esto confirma el comportamiento de los vientos en zonas de montaña.

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En la Figura 4.11 se observa una clara relación entre la precipitación y la temperatura, ya que durante los episodios de lluvia se observa un ligero descenso de la temperatura. Es importante mencionar que el rango de 12°C que presenta la temperatura durante estos días se puede considerar amplio, pero dentro de los rangos esperados para la ciudad de Manizales.

Figura 4.10. Relación entre la precipitación y la dirección y velocidad del viento, valores tomados entre el 10 y el 13 de abril de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

Figura 4.11. Relación entre la precipitación y la temperatura, valores tomados entre el 10 y el 13 de abril de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

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La relación entre la precipitación y la radiación solar se observa en la Figura 4.12, donde se aprecia una relación entre las lluvias máximas y la noche (ausencia de radiación), durante el día se presentan pequeños aguaceros.

Figura 4.12. Relación entre la precipitación y la radiación solar, valores tomados entre el 10 y el 13 de abril de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

Finalmente, otra relación que interesa discutir es la existente entre la humedad relativa y la precipitación, en donde se produce lluvia bajo condiciones de saturación, por lo que se espera que la humedad relativa sea muy alta cuando se presentan los episodios de precipitación, lo cual se aprecia en la Figura 4.13. También se observan períodos de baja humedad relativa, lo cual se debe al ciclo diurno que favorece la disminución de la humedad a la salida del sol, esta gráfica debe seguir un patrón inverso al de radiación solar, lo que efectivamente se observa.

Figura 4.13. Relación entre la precipitación y la humedad relativa, valores tomados entre el 10 y el 13 de abril de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

4.3.3 Análisis de datos desde mayo 20 al 25 de 2008 Durante estas fechas se realizaron cuatro muestreos de la componente húmeda de la sedimentación ácida, de ahí el interés de mostrar la continuidad temporal de las diferentes variables meteorológicas. En la Figura 4.14 se muestra la relación entre la precipitación y la presión barométrica, la cual a

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pesar de presentar un rango con valores 4.5 mm Hg, que es muy estrecho, se observa que antes de la lluvia existe una disminución de la presión, lo cual es de esperar. La variabilidad que muestra la presión es típica de las variaciones diurnas y nocturnas y se observa un ciclo que se repite.

Figura 4.14. Relación entre la precipitación y la presión barométrica, valores tomados entre el 20 y el 25 de mayo de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

En cuanto a la velocidad y dirección del viento, estas variables se pueden observar en la Figura 4.15, en la que se aprecia la baja velocidad del viento presente en esta época, con valores puntuales máximos alrededor de 6 m/s. El comportamiento general no muestra una relación entre la precipitación y estas variables; sin embargo, se aprecia un comportamiento cíclico tanto en las velocidades como en las direcciones, lo que confirma el comportamiento de los vientos en zonas de montaña, donde se observa una inversión del sentido del viento durante el día y la noche. La brisa reportada para esta estación es baja durante la noche y presenta mayores fluctuaciones durante el día. En la Figura 4.16 se observa la relación entre la precipitación y la temperatura, que es también muy clara, ya que durante los episodios de lluvia se observa un ligero descenso de la temperatura. Es importante mencionar que el rango de 12°C que presenta la temperatura durante estos días se puede considerar amplio, pero dentro de los rangos esperados para la ciudad de Manizales.

Figura 4.15. Relación entre la precipitación y la dirección y velocidad del viento, valores tomados entre el 20 y el 25 de mayo de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

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Figura 4.15. Relación entre la precipitación y la dirección y velocidad del viento, valores tomados entre el 20 y el 25 de mayo de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

Figura 4.16. Relación entre la precipitación y la temperatura, valores tomados entre el 20 y el 25 de mayo de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

La relación entre la precipitación y la radiación solar se observa en la Figura 4.17, donde se aprecia una relación entre las lluvias máximas y la noche (ausencia de radiación), durante el día se presentan pequeños aguaceros. Es importante mencionar que este comportamiento debe ser validado con series temporales más largas que permitan extraer conclusiones más rotundas.

Figura 4.17. Relación entre la precipitación y la radiación solar, valores tomados entre el 20 y el 25 de mayo de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

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Finalmente, otra relación que interesa discutir es la existente entre la humedad relativa y la precipitación, en la que se produce lluvia bajo condiciones de saturación, por lo que se espera que la humedad relativa sea muy alta cuando se presentan los episodios de precipitación, lo cual se aprecia en la Figura 4.18. También se observan períodos de baja humedad relativa, lo que se debe al ciclo diurno que favorece la disminución de la humedad a la salida del sol, esta gráfica debe seguir un patrón inverso al de la radiación solar, lo que efectivamente se observa. Es importante mencionar que el comportamiento mencionado y analizado en este capítulo corresponde a las fechas descritas y no se puede extrapolar a toda la ciudad ni a todo el tiempo. Si se desea realizar un estudio más detallado se debe validar con series temporales más largas que permitan extraer conclusiones más robustas.

Figura 4.18. Relación entre la precipitación y la humedad relativa, valores tomados entre el 20 y el 25 de mayo de 2008 en la estación Posgrados. Fuente: propia.

En conclusión, el análisis preliminar realizado al comportamiento de las variables meteorológicas determina que se trata de variables que se están midiendo correctamente, ya que los datos muestran continuidad en el tiempo con una variabilidad temporal diaria de acuerdo con las características locales de la zona Andina Tropical, que las variables registradas presentan coherencia entre sí y lo más importante es poder mostrar que la información que se emplea tiene una excelente resolución temporal, lo cual combinado con la distribución espacial disponible para la ciudad de Manizales, hace que se disponga de unas series meteorológicas con una excelente distribución espacio-temporal y por consiguiente hace que las conclusiones que se extraigan de los análisis posteriores sean relevantes y presenten robustez y solidez científica. 4.3.4 Análisis espacio-temporal para la ciudad de Manizales El análisis del comportamiento de las variables meteorológicas para los eventos de lluvia que hicieron parte de las campañas de muestreo de precipitación ácida en su componente húmeda, comprende la determinación de los valores medios de las variables reportadas por la red de estaciones meteorológicas (presión barométrica, humedad relativa, precipitación, temperatura, radiación solar, evapotranspiración, dirección y velocidad del viento), durante el tiempo de muestreo de precipitación ácida, teniendo en cuenta además, el comportamiento de las variables treinta minutos antes y treinta minutos después de realizado el muestreo. A continuación se muestra el análisis de algunos eventos representativos. La Tabla 4.3 muestra los valores medios empleados para la interpolación realizada en SIG (Sistemas de Información Geográfica),

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algunas de estas interpolaciones se observan en las Figuras 4.19 a 4.23, mostrando la variación espacial de las variables meteorológicas en la zona urbana de Manizales durante el tiempo de muestreo. En estas figuras está representado con una estrella el punto de medición de precipitación ácida. Tabla 4.3. Valores medios de variables en las estaciones meteorológicas. Fuente: propia.

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Tabla 4.3. Continuación. Valores medios de variables en las estaciones meteorológicas

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Tabla 4.3. Continuación. Valores medios de variables en las estaciones meteorológicas

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Tabla 4.3. Continuación. Valores medios de variables en las estaciones meteorológicas

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Tabla 4.3. Continuación. Valores medios de variables en las estaciones meteorológicas

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Tabla 4.3. Continuación. Valores medios de variables en las estaciones meteorológicas

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Tabla 4.3. Continuación. Valores medios de variables en las estaciones meteorológicas

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Figura 4.19. Comportamiento de las variables meteorológicas durante el evento 4, ocurrido el 11 de abril y muestreado en Idea a las 17:12 horas. Fuente: propia.

La mayor precipitación presentada durante los muestreos de la investigación se obtuvo en el evento 4, alcanzando precipitaciones medias entre 35 y 40 mm de lluvia en el núcleo de condensación, como puede observarse en la Figura 4.19. El punto de medición, estación IDEA, está muy cercano al núcleo de precipitación. Puede observarse como la presión barométrica presenta los valores más bajos en las zonas de lluvia intensa. La humedad relativa y la temperatura tienen un comportamiento coherente ya que se presentan humedades relativas elevadas en la zona de precipitación y se distingue una zona de baja temperatura que concuerda con el núcleo de precipitación. Teniendo en cuenta la hora de muestreo y el nivel de lluvia, es de esperarse que la radiación solar sea baja. Existe

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una dirección del viento al suroriente de la ciudad predominante en sentido nororiente mientras que al norte y al suroccidente del área urbana predomina el sentido suroriente. En general la velocidad del viento es baja, destacando los valores máximos en la zona occidental que oscilan entre 1 y 2 m/s. Este es uno de los eventos que se encuentran en el rango del 10 al 13 de abril, cuyo análisis meteorológico se realizó en la sección anterior.

Figura 4.20. Comportamiento de las variables meteorológicas durante el evento 8, ocurrido el 2 de mayo y muestreado en Villa Kempis a las 17:54 horas. Fuente: propia.

La Figura 4.20 muestra el comportamiento de las variables meteorológicas durante el evento 8. Se observa que el núcleo de precipitación coincide con el punto de medición, estación Villa Kempis.

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Este evento también presenta precipitaciones altas en el núcleo entre 10 y 15 mm de lluvia. Existen dos sectores donde la precipitación es baja (entre 0 y 5 mm) ubicados al noroccidente y la zona que comprende el oriente y suroriente de la ciudad. La presión barométrica presenta un comportamiento muy similar al evento 4, el núcleo de condensación coincide con una zona de baja presión. Los valores elevados de humedad relativa en toda la zona urbana se deben a la presencia de lluvia en todos los sectores de la ciudad, esto puede observarse también con los valores bajos de temperatura. La radiación solar es muy baja coincidiendo con la hora del día y los niveles de nubosidad debido a la precipitación. En la zona norte y suroriental se presentan puntos de inversión en la dirección del viento con relación a la dirección predominante, nororiente y oriente, en las demás zonas. La velocidad del viento es muy baja, alcanzando los valores máximos al occidente de la ciudad que varían entre 0.5 y 1 m/s. El evento 11 se presenta en la Figura 4.21, y muestra diferencias interesantes con relación a los eventos 4 y 8, en cuanto a los menores niveles de precipitación y la hora de medición. El punto de medición coincide con el núcleo de precipitación, que abarca una amplia zona principalmente al norte. La presión barométrica marca las mismas dos zonas de presiones bajas, una de ellas coincide con la zona de precipitación. Se presenta una humedad relativa elevada en todo el territorio urbano y dos zonas diferenciadas de temperatura, estando la de menor valor localizada en la zona de precipitación. Se puede observar como los valores de radiación solar aumentan respecto a los eventos 4 y 8, presentándose valores más bajos en el núcleo de precipitación. Se tiene una dirección del viento en sentido noroccidente principalmente, con una zona de inversión en el occidente de la ciudad en sentido sur oriente. La velocidad del viento es en general muy baja con los valores máximos al norte de la ciudad que van de 0.5 a 1 m/s. El evento 17 se muestra en la Figura 4.22 en el cual la zona de medición, estación Villa Kempis, se encuentra cercana al núcleo de precipitación ubicado al noroccidente de la ciudad. El comportamiento de la presión sigue manteniendo la misma tendencia, así como los valores altos de humedad (mayores al 80%) y temperaturas bajas en la zona de precipitación. Los menores valores de radiación coinciden con el núcleo de precipitación y se observan zonas de radiación alta atribuibles a la hora del día. La dirección del viento presenta un comportamiento inverso entre oriente y occidente, siendo para oriente la dirección predominante al noroccidente y occidente, mientras que al occidente se tiene una dirección predominante al nororiente y oriente. En la zona de alta lluvia se presenta la velocidad del viento más baja con relación a las demás zonas. El evento 21 mostrado en la Figura 4.23, presenta dos núcleos de condensación que coinciden con las dos zonas predominantes de menor presión barométrica. El muestreo realizado en la estación IDEA no presenta cercanía con ninguno de estos núcleos. En general, se tiene una humedad relativa uniforme con valores superiores al 80% al igual que temperatura uniforme a excepción del núcleo de mayor precipitación, en donde se presenta el mayor descenso en la temperatura. La radiación solar es baja y se muestra una zona de inversión en la dirección del viento en la parte baja. Las velocidades del viento conservan valores muy pequeños.

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Figura 4.21. Comportamiento de las variables meteorológicas durante el evento 11, ocurrido el 20 de mayo y muestreado en Idea a las 08:42 horas. Fuente: propia.

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Figura 4.22. Comportamiento de las variables meteorológicas durante el evento 17, ocurrido el 14 de junio y muestreado en Villa Kempis a las 12:18 horas. Fuente: propia.

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Figura 4.23. Comportamiento de las variables meteorológicas durante el evento 21, ocurrido el 1 de julio y muestreado en Idea a las 15:36 horas. Fuente: propia.

Hay que destacar que todos los eventos muestreados presentan un comportamiento similar al de los eventos descritos anteriormente, siendo importante el comportamiento casi idéntico de la presión barométrica atribuible a la posición del medidor en cuanto a la altura sobre el nivel del mar, es decir, las zonas donde se presentan las presiones más bajas se caracterizan por ser las más altas

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de Manizales y viceversa, las presiones más altas se dan en las zonas con menor altitud. En general se tienen humedades altas y bajas temperaturas en los núcleos de condensación y los valores de radiación solar presentan variaciones dependiendo de la hora del muestreo y de los niveles de precipitación que se traducen en mayor o menor nubosidad.

4.4 Análisis de depósitos húmedos 4.4.1 Resultados por evento Entre los meses de marzo y julio, se analizaron 24 eventos de lluvia, a diferentes horas del día y en las diferentes estaciones de muestreo seleccionadas. La Tabla 4.4 resume las características de cada muestreo, incluyendo los resultados de las mediciones in situ y los resultados de los análisis de laboratorio. La Figura 4.24 presenta el valor de pH registrado en cada uno de los eventos. De los 24 eventos evaluados, cinco presentan niveles de pH por encima de 5.6, por lo que no son catalogados como lluvia ácida. Porcentualmente el 79% de los eventos son de carácter ácido. Tabla 4.4. Resumen de muestreos y resultados del análisis de laboratorio. Fuente: propia.

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Figura 4.24. Valores de pH para cada uno de los eventos de lluvia registrados. Fuente: propia.

4.4.2 Valores medios por estación Los valores promedio por estación se obtienen con base en los resultados finales extraídos del análisis de la muestra compuesta. Los principales parámetros analizados son: pH, concentración de nitratos, concentración de sulfatos y conductividad. Se estima la media aritmética para el cálculo de dichos valores. 4.4.2.1 pH

La Figura 4.25 resume los rangos de valores de pH obtenidos durante la fase experimental para cada una de las estaciones de precipitación húmeda. En esta gráfica se pueden observar los picos máximos y mínimos obtenidos, así como el valor medio reportado.

Figura 4.25. Rango de valores de pH para cada estación. Fuente: propia.

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Según la Figura 4.25, los valores de pH medios no sobrepasan la línea que caracteriza el límite en el cual es posible tener lluvia en condiciones normales (Wark y Warner, 2002). Para los valores máximos se puede decir que hubo eventos de lluvia sin características ácidas en cinco de las siete estaciones pero son mayores los eventos con condiciones de acidez como lo demuestra el valor medio. Durante las mediciones, se alcanzaron todos los niveles de clasificación de la lluvia, desde lluvia normal hasta lluvia fuertemente ácida, siendo la estación Recinto la única caracterizada por tener un valor medio de acidez en el sector de lluvia fuertemente ácida, las estaciones Chipre y Liborio presentan una condición media de lluvia medianamente ácida y las demás estaciones presentan valores medios en el campo de lluvia ligeramente ácida, de acuerdo con la clasificación indicada en la Tabla 3.1. 4.4.2.2 Concentración de sulfatos

La Figura 4.26 muestra los valores medios de sulfatos para cada estación y su ubicación en zonas de media y alta contaminación de acuerdo con el valor de dicho parámetro. Solo dos estaciones, Chipre y Florida, se encuentran por fuera de la zona de contaminación alta y las estaciones Kempis e IDEA se caracterizan por tener los valores más elevados y por ende ser las estaciones en donde se presenta mayor contaminación en lo que respecta al contenido de sulfatos en la lluvia.

Figura 4.26. Concentración media de sulfatos para cada estación. Fuente: propia.

4.4.2.3 Concentración de nitratos

La concentración media de nitratos para cada estación de muestreo se representa en la Figura 4.27. A diferencia del contenido de sulfatos en la lluvia, los nitratos presentes se caracterizan por tener valores que permiten excluir las estaciones de muestreo como zonas de alta contaminación por este parámetro. Es para destacar que tres estaciones, Liborio, Florida y Recinto, se encuentran por fuera de la zona de contaminación media, siendo catalogados como sectores en los cuales no se presenta contaminación por nitratos en el agua lluvia.

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Figura 4.27. Concentración media de nitratos para cada estación. Fuente: propia.

4.4.2.4 Conductividad eléctrica

De acuerdo con el valor de conductividad en el agua lluvia, es posible determinar si ésta se encuentra bajo la característica de lluvia ácida. En un agua lluvia con características normales, el valor de la conductividad (µS/cm) debe tender a cero. En un agua lluvia con características ácidas son comunes valores por encima de los 20 µS/cm. (IDEAM, 2008). La Figura 4.28 muestra los valores medios por estación para este parámetro, encontrando sólo una estación, Villa Kempis, con valores de conductividad que clasifican sus eventos como lluvia normal.

Figura 4.28. Valores medios de conductividad para cada estación. Fuente: propia.

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CAPÍTULO 4 - DIAGNÓSTICO Y ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LA LLUVIA ÁCIDA EN LA CIUDAD DE MANIZALES 4.4.2.5 Interacción de los parámetros principales.

La Tabla 4.5 resume los valores obtenidos y los ubica en las dos posibles zonas, rango normal y de contaminación de acuerdo con los valores reportados en la bibliografía como indicadores de contaminación (IDEAM 2008; Berner, et al., 1996). Tabla 4.5. Valores medios por estación para los parámetros de medición principales.

La Figura 4.29 muestra una representación gráfica de los valores reportados en la Tabla 4.5, teniendo en cuenta pH, nitratos y sulfatos.

Figura 4.29. Valores medios de pH, nitratos y sulfatos para cada una de las estaciones de muestreo. Fuente: propia.

Todas las estaciones de muestreo presentan un valor medio de pH tal que es posible catalogarlas como zonas donde se presenta el fenómeno de lluvia ácida. Los valores obtenidos para nitratos están por debajo del indicador de alta contaminación y cinco de las siete estaciones sobrepasan el indicador referido a sulfatos. Una hipótesis sobre los altos niveles de sulfatos, son las emisiones de fuentes móviles dada la cantidad apreciable de azufre en el combustible y/o las emisiones naturales del volcán Nevado del Ruiz, ubicado aproximadamente a 27 km de la ciudad. Según la Figura 4.29, existe una tendencia similar entre los niveles de sulfatos y nitratos en cada estación, sin embargo, no existe una relación directa con los valores de pH promedio.

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La Figura 4.30 muestra la relación entre los valores de nitratos, sulfatos y conductividad para cada estación. Solo la estación Kempis presenta una tendencia opuesta, mientras que las demás estaciones presentan tendencias similares al comparar dichos parámetros. La estación IDEA presenta los niveles más elevados de contaminación por sulfatos y nitratos, en contraste con el valor medio de pH, que es el más elevado en comparación con las demás estaciones.

Figura 4.30. Valores medios de nitratos, sulfatos y conductividad para cada una de las estaciones de muestreo. Fuente: propia.

4.4.2.6 Variabilidad espacial de los parámetros principales

En las Figuras 4.31 a 4.33 se presenta la distribución espacial de los parámetros más relevantes en el estudio de la lluvia ácida. Los valores más bajos de pH se presentan en las zonas noroccidental y suroriental del área urbana, esta última la de mayor actividad industrial de la ciudad, punto que presenta un considerable nivel de concentración de sulfatos. De acuerdo con la distribución de las lluvias para la ciudad reportada por el IDEA, la zona suroriental presenta los menores niveles de precipitación. En este sentido se puede decir que la depuración de contaminantes en esta zona no se realiza con la misma intensidad que en otros puntos de la ciudad, y puede ser una de las razones por las cuales la lluvia presenta las más altas condiciones de acidez y contaminación por sulfatos. La zona central y suroccidental de la ciudad presentan un comportamiento similar en lo que respecta a valores elevados de concentración de sulfatos y nitratos, mientras que en la zona sur se observan valores más bajos para estos parámetros.

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Figura 4.31. Distribución espacial del pH de la lluvia en la ciudad de Manizales. Fuente: propia.

Figura 4.32. Distribución espacial de la concentración de sulfatos de la lluvia en la ciudad de Manizales. Fuente: propia.

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Figura 4.33. Distribución espacial de la concentración de nitratos de la lluvia en la ciudad de Manizales. Fuente: propia.

4.5 Análisis conjunto de variables fisicoquímicas y meteorológicas Esta sección pretende presentar la relación entre las distintas variables que influencian el fenómeno de la precipitación ácida, incluyendo las variables meteorológicas. Se busca establecer correlaciones entre ellas, con el fin de validar hipótesis previas y de visualizar con mayor detalle la complejidad del fenómeno, caracterizado por las innumerables variables que deben tenerse en cuenta desde la emisión y transporte de contaminantes, las condiciones meteorológicas y químicas de la formación de compuestos ácidos, hasta las características de su precipitación. Se presentan los resultados de las relaciones entre variables fisicoquímicas, fisicoquímicas y meteorológicas, y fisicoquímicas según condiciones antecedentes, siguiendo una metodología en la cual se evalúa de forma general las relaciones descritas y posteriormente se realizan análisis con datos agrupados según criterios de clasificación con el fin de buscar generalidades más precisas entre las variables objeto de este estudio. Los criterios de clasificación implementados para este análisis son: Precipitación: Pretende separar dos grupos de variables, el primer grupo recoge eventos en los cuales la precipitación en total en Manizales tiene valores por debajo de los 4 mm de lluvia y el segundo grupo con precipitaciones por encima de los 4 mm. Este valor se adopta teniendo en cuenta los valores de lluvia registrados durante los muestreos, de tal manera que quedaran distribuidos en dos grupos de tamaño similar. Altitud: Con base en la altura de la ciudad de Manizales, se establecen dos grupos principales que incluyen las estaciones de muestreo ubicadas por debajo de los 2150 msnm y aquellas ubicadas por encima. Núcleos de condensación: Su finalidad es generar dos grupos de variables de acuerdo con dos parámetros: toma de muestras en lugares que coincidan con los núcleos de condensación de la

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CAPÍTULO 4 - DIAGNÓSTICO Y ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LA LLUVIA ÁCIDA EN LA CIUDAD DE MANIZALES lluvia, regiones donde se presenta el mayor nivel de precipitación, y para aquellos muestreos de eventos alejados de los núcleos de condensación de lluvia.

Por último, con los datos de la estación en la cual se realizaron el mayor número de muestreos, se pretende establecer relaciones de acuerdo con los criterios de clasificación mencionados anteriormente. La evaluación de las diferentes relaciones entre variables por estación es muy importante debido a las condiciones cambiantes de la ciudad en diferentes sectores. Hay que destacar que estas relaciones requieren un estudio más preciso de su comportamiento para extraer juicios relevantes, ya que los aquí presentados son fruto de un tiempo corto de investigación, por ende se tienen pocos valores para analizar. Sin embargo, como diagnóstico preliminar es interesante y útil establecer estas relaciones como punto de partida para una comprensión profunda del fenómeno en estudio. La Tabla 4.6. muestra la información referente a los tiempos antecedentes de no lluvia, intensidad de los eventos de lluvia previos, la altura sobre el nivel del mar, la coincidencia de los eventos muestreados con los núcleos de condensación y los valores de las variables fisicoquímicas para cada evento muestreado. Tabla 4.6. Información fisicoquímica y meteorológica de los eventos muestreados. Fuente: propia.

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4.5.1 Relación entre variables fisicoquímicas La relación entre el pH y las concentraciones de compuestos acidificantes es de interés en el estudio de la precipitación húmeda. Con respecto a la relación entre los valores de pH y la presencia de iones en las muestras, se espera que el aumento en la concentración de los iones SO42-, NO3- y Cl- genere una reducción en los valores de pH. Las relaciones mostradas en la Figura 4.34 muestran tendencias inversas, aunque es destacable el elevado grado de dispersión de los valores correlacionados.

Figura 4.34. Relación entre concentración de nitratos, sulfatos, cloruros y nitrógeno amoniacal con el pH. Fuente: propia.

A partir de estas relaciones es posible realizar el siguiente análisis: La caracterización completa de una muestra de agua incluye la cuantificación de gran cantidad de especies aniónicas y cationicas, que permiten establecer el balance iónico de la muestra. Por

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lo tanto, el efecto de alguna de estas especies sobre el valor de pH (o de la concentración de hidrogeniones), depende marcadamente del grado de neutralización que pueda generarse sobre ella. De esta manera, se plantea la necesidad de determinar la presencia de otras especies iónicas en el agua lluvia que se correlacionen de mejor manera con los valores de pH. Esta escasa correlación es reportada en trabajos anteriores. Gorham (1998) reporta que los valores de pH se correlacionan de mejor manera con la concentración de cloruros que con la de sulfatos. A partir de las concentraciones de los iones y aniones más representativos, es posible hacer uso de modelos predictivos que involucren el balance iónico para hallar las concentraciones de H+ y por ende los valores de pH de la precipitación (Rodhe et al., 2005). La relación entre el pH y el nitrógeno amoniacal cumple con la tendencia esperada, ya que los compuestos amoniacales ejercen una acción neutralizante sobre los componentes ácidos. Por lo tanto, mayores concentraciones de nitrógeno amoniacal generan una mayor tasa de neutralización y por ende un aumento en los valores de pH. La baja correlación y la no identificación de otras especies, no permiten establecer conclusiones claras. En la Figura 4.35 se presentan las relaciones entre los compuestos iónicos cuantificados en cada evento registrado. A priori, no es posible establecer correlación entre estas variables, debido a: • Sus precursores (SOX, NOX, NH3, compuestos clorados, entre otros) son productos de emisiones de fuentes que se diferencian espacial y temporalmente como las fuentes antrópicas y naturales, los combustibles fósiles, la actividad agrícola, entre otras. • La cantidad de compuestos acidificantes en la precipitación es difícil de establecer. Por una parte, no se conoce con claridad las cantidades de precursores emitidos a la atmósfera y mucho menos su periodicidad. El fenómeno de transporte y la forma predominante de reacción de éstos según las características meteorológicas y químicas aún no se dilucida para el caso Manizales. Además, el punto exacto de precipitación es impredecible, sin un estudio detallado. • Los eventos se registraron en siete estaciones a lo largo de la zona urbana de la ciudad, por lo que generalizar los resultados es complicado, dadas las características transfronterizas del fenómeno y la diferencia en las condiciones meteorológicas de cada zona. En la Figura 4.35, donde se relacionan los dos principales iones estudiados SO42- y NO3- se observa una proporcionalidad. Este comportamiento se cumple al relacionar otros compuestos de interés, aniónicos SO42-, NO3-, Cl- y catiónicos NH4+. Debido a la relación que se presenta entre las variables, se puede inferir que la tasa de transformación de precursores en compuestos ácidos es proporcional y al encontrar emisiones

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con contenido de azufre es previsible la presencia de otros contaminantes, como compuestos nitrogenados y clorados. El amoniaco es un compuesto de importante interés para la caracterización del fenómeno de precipitación ácida. Como se explicó en el capítulo 3, este compuesto es neutralizante o acidificante de acuerdo con determinadas condiciones fisicoquímicas. La Figura 4.35 permite establecer que este compuesto actúa como agente neutralizante de acidez, y es mayoritariamente efectivo sobre el ácido clorhídrico, tal como lo muestra la proporcionalidad inversa entre el ión cloruro y el nitrógeno amoniacal. En la caracterización fisicoquímica de aguas, la conductividad es un importante parámetro ya que cuantifica indirectamente la concentración de iones disueltos en una muestra. Debido a que la corriente eléctrica se transporta por medio de iones en solución, la conductividad aumenta al aumentar la concentración de iones.

Figura 4.35. Relación entre concentraciones de nitratos, cloruros, sulfatos y nitrógeno amoniacal. Fuente: propia.

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Los valores de conductividad de agua lluvia son indicador del grado de contaminación de una zona y en particular de la presencia de lluvia ácida. La Figura 4.36 muestra la relación entre la concentración de iones y el valor de conductividad de cada muestra analizada.

Figura 4.36. Relación entre concentración cloruros, nitratos, sulfatos y conductividad. Fuente: propia.

La tendencia encontrada entre los valores de conductividad y concentración de SO42-, NO3- y Cl-, así como la correlación entre los datos, permite ratificar la validez de los análisis de laboratorio realizados a cada muestra, así como la relativa confiabilidad de implementar la conductividad como medida indirecta de sulfatos y nitratos. La correlación de la conductividad con el nitrógeno amoniacal no es satisfactoria. 4.5.1.1 Precipitación

La relación entre nitratos y pH se muestra en la Figura 4.37, donde la tendencia presentada para ambos grupos resulta a priori incoherente, ya que los mayores niveles de nitratos se traducen en un

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mayor contenido de acidez, por ende menores valores de pH. Sin embargo, no se tiene certeza del contenido iónico de las muestras siendo este aspecto fundamental para establecer relaciones entre pH y otras variables fisicoquímicas.

Figura 4.37. Relación entre concentración de nitratos y pH. Fuente: propia.

En la Figura 4.38 se presentan las relaciones entre conductividad y sulfatos en ambos grupos, para precipitaciones mayores a 4 mm se observa coherencia. La relación entre sulfatos y nitratos se presenta en la Figura 4.39, los valores para eventos mayores de 4 mm generan una mejor correlación que la clasificación general y conservan una tendencia razonable. Por otra parte, la correlación y tendencia obtenida en los eventos menores de 4 mm se reduce notablemente y cambia de sentido.

Figura 4.38. Relación entre concentración de sulfatos y conductividad. Fuente: propia.

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Figura 4.39. Relación entre concentraciones de sulfatos y nitratos. Fuente: propia.

La relación entre conductividad con nitratos y cloruros se presenta en la Figura 4.40. Para ambos grupos se tienen relaciones directas donde la mejor correlación se da para precipitaciones por debajo de los 4 mm.

Figura 4.40. Relación entre concentración de nitratos y cloruros con conductividad. Fuente: propia.

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Otra relación importante se presenta en la Figura 4.41, entre nitrógeno amoniacal y cloruros. Para eventos por encima de los 4 mm se tienen valores cercanos entre sí en magnitud con una tendencia al aumento de cloruros al aumentar el nitrógeno amoniacal. Comportamiento inverso se da para eventos por debajo de los 4 mm. Ambos comportamientos pueden ser justificados.

Figura 4.41. Relación entre concentraciones de cloruros y nitrógeno amoniacal. Fuente: propia.

4.5.1.2 Altitud

Al realizar la separación en grupos, se pueden observar dos comportamientos diferentes dependiendo de la altura. La Figura 4.42 muestra la relación entre conductividad y pH para los dos grupos. El grado de coherencia para cualquiera de los dos grupos es subjetivo ya que no se cuenta con un balance iónico que indique una mayor o menor presencia de iones acidificantes, por lo tanto, no es posible determinar cuál tendencia es más representativa desde el punto de vista químico, sin embargo, hay que destacar que existe una mayor correlación en los valores que hacen parte del grupo que incluye las estaciones por debajo de los 2150 msnm. La Figura 4.43 muestra la relación entre conductividad y sulfatos para los dos grupos, se puede decir que estas variables en estaciones por encima de los 2150 msnm presentan una relación lógica y una correlación alta.

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Figura 4.42. Relación entre conductividad y pH según la altitud. Fuente: propia.

Figura 4.43. Relación entre concentración de sulfatos y conductividad según la altitud. Fuente: propia.

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La relación entre concentraciones de cloruros y nitratos presenta un comportamiento similar al de conductividad y sulfatos, tal como se muestra en la Figura 4.44. Por encima de 2150 msnm se da una relación directa entre estos parámetros y es posible observar cómo se incrementa la correlación al realizar la separación mencionada respecto a los valores generales.

Figura 4.44. Relación entre concentraciones de nitratos y cloruros según la altitud. Fuente: propia.

4.5.1.3 Núcleos de condensación

La Figura 4.45 muestra la relación entre la concentración de sulfatos y cloruros con nitratos. En general, se conservan tendencias coherentes en cuanto a la proporcionalidad directa de estos iones. La relación de variables lejos del núcleo de condensación muestra un aumento en la correlación con respecto a los valores generales.

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Figura 4.45. Relación entre concentraciones de cloruros y sulfatos con nitratos según la cercanía al núcleo de condensación. Fuente: propia.

La relación entre conductividad y nitratos se muestra en la Figura 4.46, donde se presenta un aumento de la correlación para valores alejados del núcleo de condensación al compararlos con los más cercanos.

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Figura 4.46. Relación entre concentraciones de nitratos y conductividad según la cercanía al núcleo de condensación. Fuente: propia.

Las variables fisicoquímicas analizadas lejos del núcleo de condensación presentan una mejor relación que las cercanas. Un comportamiento diferente se presenta al relacionar la concentración de sulfatos con los valores de pH. Es posible definir con mayor certeza un comportamiento de sulfatos a partir de la medición de pH para eventos en el núcleo de condensación que en eventos alejados de éste como indican los coeficientes de correlación que se muestran en la Figura 4.47. El análisis de relaciones entre las demás variables para los dos grupos establecidos, no arroja resultados que permitan contrastar sus comportamientos debido al grado de dispersión de los mismos.

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Figura 4.47. Relación entre concentraciones de sulfatos y pH según la cercanía al núcleo de condensación. Fuente: propia.

4.5.2 Relación entre variables meteorológicas y fisicoquímicas La búsqueda de relaciones entre la química y la meteorología se caracteriza por la utilización de las variables fisicoquímicas medidas por evento y los valores medios de variables meteorológicas, ya sea en la estación meteorológica que coincida con el punto de muestreo o la estación más cercana al mismo. En general no se obtienen correlaciones importantes entre las variables analizadas. Es el caso de la relación entre precipitación total respecto al pH y la conductividad, donde se espera que una precipitación elevada genere una dilución de contaminantes mayor que conlleva a aumentos de pH. La tendencia obtenida para valores de conductividad y precipitación total es coherente ya que se espera que al aumentar la precipitación los niveles de dilución aumenten generando descensos en los valores de conductividad. Por otra parte, la temperatura favorece los procesos químicos de transformación de precursores en compuestos ácidos, por lo que en zonas de mayor temperatura ambiente se espera una concentración mayor de iones ácidos. 4.5.2.1 Precipitación

Para eventos por debajo de los 4 mm la Figura 4.48 muestra el comportamiento de los cloruros respecto a la precipitación total y la temperatura media. Las tendencias presentadas indican que el aumento de la precipitación conlleva mayores niveles de dilución. Por su parte, la temperatura

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puede acelerar los procesos de reacción atmosféricos lo que ocasiona mayores cantidades de ácidos formados a partir de contaminantes primarios.

Figura 4.48. Relación entre concentraciones de cloruros con temperatura y recipitación para eventos menores de 4 mm. Fuente: propia.

La Figura 4.49 muestra las relaciones más significativas para los eventos cuya precipitación supera los 4 mm. Respecto a la temperatura media, se puede observar como un aumento de ésta implica reducciones en las cantidades de amonio, esto es posible ya que el NH3 actúa como reactivo en los procesos de neutralización (mencionados en el capítulo 3), debido a esto, al ser la temperatura un factor determinante en las reacciones atmosféricas resulta coherente esta tendencia. En cuanto a la tendencia de la precipitación, puede decirse que es lógica teniendo en cuenta en fenómeno de dilución.

Figura 4.49. Relación entre concentración de nitrógeno amoniacal con temperatura media y precipitación con nitratos para eventos mayores de 4 mm. Fuente: propia.

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4.5.2.2 Altitud

Relaciones significativas sólo se obtienen para eventos registrados por debajo de los 2150 msnm y se muestran en la Figura 4.50. Se observa proporcionalidad directa entre presión barométrica, temperatura y cloruros así como radiación solar y conductividad mientras que la precipitación es inversa a la conductividad, siendo éste un comportamiento lógico debido a la dilución de contaminantes.

Figura 4.50. Relaciones entre variables fisicoquímicas y meteorológicas para muestreos por debajo de los 2150 msnm. Fuente: propia.

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4.5.2.3 Núcleos de condensación

Al realizar la agrupación de variables según la coincidencia con el núcleo de condensación se obtienen nuevas relaciones interesantes respecto a los resultados generales. La Figura 4.51 muestra las relaciones más significativas para los eventos ubicados en el núcleo de condensación. Se puede observar como la radiación solar influye en el aumento de la conductividad y como el aumento en la humedad relativa disminuye la concentración de nitratos. Se puede explicar lo que ocurre con la precipitación ya que se espera que un aumento en la lluvia genere un mayor nivel de dilución y por ende una disminución en la conductividad.

Figura 4.51. Relaciones entre variables fisicoquímicas y meteorológicas para muestreos realizados en el núcleo de condensación de lluvia. Fuente: propia.

La única relación significativa encontrada para valores lejanos al núcleo de precipitación indica una relación directa entre la radiación solar y el nitrógeno amoniacal.

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4.5.3 Análisis de los períodos antecedentes de no lluvia y su relación con las variables fisicoquímicas Es importante conocer los antecedentes de los eventos muestreados con el fin de identificar relaciones tales como la duración de períodos de tiempo seco y la intensidad de la lluvia previo al evento de lluvia muestreado y su influencia en las variables fisicoquímicas. Este análisis permite evaluar dos hipótesis de la investigación; la primera, que para un mayor período de tiempo seco hay una mayor concentración de contaminantes en la atmósfera debido a que no se da el proceso de lavado. La segunda hipótesis tiene que ver con la intensidad de los eventos previos al evento muestreado. Se cree que una mayor intensidad en las lluvias preliminares implica un mayor nivel de depuración de contaminantes en la atmósfera. Los resultados obtenidos indican que la dispersión de los datos es elevada y no permite establecer conclusiones sobre algún comportamiento particular de las variables fisicoquímicas respecto al tiempo antecedente de no lluvia o la intensidad del evento de lluvia previo al muestreo. Al obtener intensidades previas similares, este parámetro no resulta representativo para buscar una relación particular. 4.5.3.1 Precipitación

Para eventos por debajo de los 4 mm de lluvia se obtienen dos relaciones interesantes que se muestran en la Figura 4.52, se observa como el aumento en la duración de los períodos secos acarrea la acumulación de mayores cantidades de sulfatos y nitrógeno amoniacal en la atmósfera.

Figura 4.52. Relaciones entre concentración de sulfatos y nitrógeno amoniacal con la duración de períodos secos para lluvias menores a 4 mm. Fuente: propia.

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4.5.3.2 Altitud

Sólo se encuentran relaciones significativas para las estaciones ubicadas por debajo de los 2150 msnm. La Figura 4.53 muestra la relación entre el tiempo antecedente y las concentraciones de nitratos y sulfatos.

Figura 4.53. Relaciones entre concentración de sulfatos y nitratos con la duración de períodos secos para muestreos realizados a menos de 2150 msnm. Fuente: propia.

4.5.3.3 Núcleos de condensación

Se presenta una tendencia coherente para concentración de nitratos y duración de períodos secos como se muestra en la Figura 4.54, en la cual a mayor tiempo sin lluvias, mayor es la concentración.

Figura 4.54. Relación entre concentración de nitratos con la duración de períodos secos para muestreos realizados en el núcleo de condensación de la lluvia. Fuente: propia.

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4.5.4 Análisis de la estación IDEA Dado que en la estación IDEA se realizan el mayor número de muestreos y se cuenta con la estación meteorológica de Posgrados, se considera pertinente analizar con mayor detalle la información recolectada. 4.5.4.1 Relación entre variables fisicoquímicas

Las Figuras 4.55 y 4.56 muestran la relación entre conductividad y sulfatos, y cloruros con nitratos, presentando una correlación aceptable dado el número de datos

Figura 4.55. Relación entre la concentración de sulfatos y la conductividad para la estación IDEA. Fuente: propia.

Figura 4.56. Relación entre la concentración de cloruros y nitratos para la estación IDEA. Fuente: propia.

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4.5.4.2 Relación entre variables fisicoquímicas y meteorológicas

Se observan correlaciones para la presión barométrica sobre la conductividad y para la precipitación con los nitratos. Así como la temperatura, la presión juega un papel importante en los procesos de reacción, principalmente en fase gaseosa. Sin embargo, el papel de la presión va ligado a las condiciones propias de cada reacción de acuerdo con su cinética y es preciso realizar un estudio más detallado. En este sentido resulta equivocado determinar si la relación presentada es coherente o no, sólo se tiene en cuenta su correlación alta con respecto a las demás relaciones planteadas. 4.5.4.3 Clasificación según los períodos antecedentes de no lluvia

La relación más relevante es la que presentan los cloruros con la duración de un período previo sin lluvia, con un comportamiento inversamente proporcional. Esta relación resulta opuesta a la hipótesis planteada y deberá ser corroborada cuando se disponga de un mayor número de datos.

4.6 Lavado atmosférico Uno de los aspectos importantes en este trabajo, es dimensionar el efecto del fenómeno de lavado atmosférico y la forma en la cual éste se manifiesta. Dos de los eventos registrados presentaron una duración y unas condiciones de intensidad apropiadas para la evaluación de este fenómeno. En la Figura 4.57 se presenta el seguimiento registrado en la estación de Villa Kempis para el día 2 de mayo de 2008. Se puede observar como a medida que transcurre el evento, el nivel de acidez aumenta y tiende a un estado estable, que coincide con una intensidad constante. Esto demuestra que la intensidad tiene un efecto considerable sobre el lavado atmosférico.

Figura 4.57. Seguimiento del pH durante el evento de mayo 2 de 2008 en la estación Villa Kempis. Fuente: propia.

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Comportamiento similar se registró en el evento del día 7 de julio de 2008 en la estación IDEA, tal como se muestra en la Figura 4.58. Durante este evento se observa la tendencia al descenso en los niveles de nitratos, sulfatos, cloruros, amonio y conductividad. Esto muestra claramente la acción de la lluvia como agente depurador de contaminantes atmosféricos.

Figura 4.58. Seguimiento de concentración de nitratos, sulfatos, conductividad, cloruros y amonio durante el evento de julio 7 de 2008 en la estación IDEA. Fuente: propia.

Un comportamiento particular se presentó en el evento del día 23 de mayo de 2008 en la estación de Niza, presentado en la Figura 4.59. Durante este evento, se presenta un descenso en el pH y un posterior aumento en relación directa con la variación de la intensidad. Este comportamiento permite visualizar el concepto teórico de lavado atmosférico, en el cual, a medida que transcurre un evento de lluvia los contaminantes ácidos se diluyen en el agua, generando un descenso en el pH y con el transcurso del evento la concentración de estos ácidos en la atmósfera disminuye permitiendo una recuperación del nivel normal de acidez.

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Figura 4.59. Seguimiento de pH durante el evento del día 23 de mayo de 2008 en la estación de Niza. Fuente: propia.

4.7 Depósitos secos Los depósitos secos se recolectan cuando se han presentado tres días consecutivos de tiempo seco. Las condiciones meteorológicas de la ciudad, no permitieron realizar varios ciclos de muestreo por estación. Sólo se realizó un muestreo por estación. Los resultados presentados para los depósitos secos presentados en la Tabla 4.7, indican que la naturaleza de éstos es predominantemente básica, siendo el 84,6% de estos depósitos generadores de un aumento en el pH del agua de dilución. Hay que destacar que la metodología empleada para el muestreo probablemente no es la más adecuada puesto que cuando se recoge la muestra, no sólo se determina la acidez de los gases adsorbidos en ese sólido sino la acidez de los sólidos mismos, que depende de su naturaleza y altera los resultados esperados. Tabla 4.7. Resultados para depósitos secos. Fuente: propia.

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4.8 Comparación con otros estudios La Tabla 4.8 presenta un resumen de resultados reportados en artículos científicos para diferentes ciudades del mundo. Manizales presenta niveles de acidez mayores que ciudades de niveles industriales y poblacionales elevados. Se destaca que no existe una proporcionalidad entre los pH reportados y los niveles de nitratos y sulfatos. Además, es motivo de análisis el hecho que algunos de los valores de concentración de iones no superan los límites para considerar las ciudades como altamente contaminadas, pero el valor promedio de pH reportado indica la condición de lluvia ácida, es el caso de Bogotá, Tokio y Río de Janeiro. Caso contrario ocurre en Londrina y Beijing. Tabla 4.8. Comparación estudios acerca de la lluvia ácida. 1. ANTOLINES y DÍAZ, 2003., 2. PELICHO, F. MARTINS, D. NOMI, M, 2006., 3. FUJITA, S. I. et al, 2000., 4. TANG. A. et al, 2000., 5. TANG. A. et al, 2008., 6. de MELO, W. Z, 2001

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CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS El principal resultado y logro de esta investigación radica en mostrar a las entidades ambientales y a la comunidad en general que en la ciudad de Manizales se identificó el fenómeno de lluvia ácida durante el período de muestreo, teniendo un nivel similar al de ciudades de mayor densidad poblacional, industrial y vehicular. Dado el carácter local del muestreo de lluvia realizado y a la corta duración del período, se debe tener en cuenta que todos los resultados expuestos en este trabajo deben ser validados mediante estudios posteriores. Sin embargo, las conclusiones expuestas a continuación a pesar de ser preliminares, sirven de línea base para orientar las investigaciones futuras en este campo. Dadas las condiciones de precipitación media en la ciudad, puede afirmarse que la principal manifestación del fenómeno de precipitación ácida se lleva a cabo vía húmeda. Los registros de acidez en la lluvia indican que los valores más altos, correspondientes al pH más bajo, se presentan al Suroriente de la ciudad. Con base en los componentes identificados que causan el fenómeno de lluvia ácida en la ciudad de Manizales y en comparación con los indicadores de contaminación reportados en la literatura, se observa que el aporte de precursores azufrados reviste mayor importancia en la formación de los ácidos. Se comprueba que la lluvia actúa como agente depurador de contaminantes, ya que la carga iónica disminuye a medida que transcurre el evento de muestreo y el pH cambia en relación con la variación en la intensidad de la lluvia con una tendencia al aumento. Dada la cantidad de compuestos que intervienen directa e indirectamente en la acidificación de la lluvia, es importante realizar una caracterización completa de las muestras en lo que respecta a su composición iónica, con el fin de establecer el cumplimiento del balance iónico y a partir de éste determinar los compuestos predominantes en la generación de acidez o basicidad en la lluvia de la ciudad de Manizales

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CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS

Es necesario considerar la influencia de las variables climatológicas en la química de la precipitación, ya que no existe una relación marcada entre los niveles de sulfatos, nitratos y conductividad con los valores de pH. El análisis realizado para relacionar las variables fisicoquímicas y meteorológicas presenta un comportamiento disperso. Los filtros empleados, como la altitud, la precipitación y la cercanía al núcleo de condensación, mejora algunas relaciones de acuerdo con las hipótesis propuestas, sin presentar mejoras significativas. Todo esto muestra la complejidad del fenómeno dada la cantidad de variables involucradas. Las relaciones entre las variables fisicoquímicas y meteorológicas requieren un estudio más detallado para buscar tendencias, ya que los resultados presentados son fruto de un tiempo corto de investigación. Sin embargo, como diagnóstico preliminar es interesante y útil establecer estas relaciones como punto de partida para una comprensión profunda del fenómeno en estudio. Los métodos de muestreo para la componente húmeda de la lluvia ácida han mostrado resultados muy coherentes y robustos, por lo que se considera que la estrategia propuesta en este estudio para su medición es adecuada y se puede continuar. Sin embargo, las mediciones realizadas para la componente seca de la lluvia ácida plantean grandes inquietudes por la metodología empleada y los resultados obtenidos, de tal forma que se considera de suma importancia buscar nuevas estrategias para la medición de la componente seca de la precipitación ácida. Los cambios que se introducen en las políticas municipales, tales como el pico y placa, pueden tener incidencia en la concentración de contaminantes atmosféricos, en especial para el centro de la ciudad de Manizales. Es necesario adelantar un monitoreo de mayor duración, con el fin de caracterizar el fenómeno de una manera integral, que tenga en cuenta los efectos de las fuentes naturales y antrópicas. El monitoreo de un contaminante secundario como los ácidos nítrico y sulfúrico a partir de la caracterización de acidez en la lluvia, justifica la implementación de políticas sobre calidad del aire dirigidas al monitoreo continuo de óxidos de azufre y nitrógeno, precursores de estos ácidos. Las estaciones para la medición de la componente húmeda de la lluvia ácida que han sido propuestas en este estudio, pueden servir de referente para la creación de una red de monitoreo de calidad del aire en Manizales. Especial atención se debe prestar a la estación EMAS, ubicada en el relleno sanitario de la ciudad, ya que dispone de información climatológica y no fue incluida en el muestreo de la lluvia ácida. Inicialmente este estudio pretende cubrir tanto períodos húmedos como secos, dado el carácter bimodal de la lluvia en la zona andina colombiana. Sin embargo, esto no fue posible ya que el año 2008 fue un año lluvioso si se compara con los datos históricos disponibles para la ciudad de Manizales.

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Se propone para dar continuidad a este trabajo, analizar el efecto que pueden tener algunas variaciones climáticas de carácter periódico como es “El Niño Oscilación del Sur, ENOS” en los resultados de la lluvia ácida, para lo cual se requiere un período de muestreo que cubra los períodos de “Niño” y “Niña”, de tal forma que se puedan observar y contrastar los resultados. Es importante comenzar a incluir en los estudios futuros los aportes a la lluvia ácida que puede estar dando la cercanía del Volcán Nevado del Ruiz, por lo que es necesario plantear estrategias de investigación que involucren el efecto de las emisiones del Volcán sobre la ciudad de Manizales. La integración, análisis y caracterización de la física del fenómeno de la lluvia con el comportamiento químico es de gran interés y su estudio debe continuar, de tal manera que en un futuro cercano sea posible plantear un modelo de calidad de aire para la ciudad de Manizales que contemple estos aspectos.

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125

BIBLIOGRAFÍA • Alcaldía de Cali. La red de monitoreo de calidad del aire. En: www.cali.gov.co. Consultado en septiembre de 2008 • ANTOLINEZ, A. y DÍAZ, C. Lluvia Ácida en la zona norte de Bogotá. Trabajo de grado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá. 2003 • APHA, AWWWA, WPCF. Métodos Normalizados. Ed: Díaz de Santos S. A. España, 1992 • BEDOYA, J. El hombre y su ambiente. La problemática de la contaminación ambiental y aportes para su solución. Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín. Facultad de Minas. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente. Medellín, 2002 • BERNER, R. BERNER, E. Global Environment: Water, Air and Geochemical Cycles. 1996 • BUITRAGO, J. H. Aplicación del Modelo Gaussiano para determinar la calidad del aire en Manizales. Tesis de Maestría en Medio Ambiente y Desarrollo. Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales. 2003 • Comisión Nacional de Medio Ambiente – CONAMA. Chile. Consultado en septiembre de 2008. • Compañía de Tecnología de Saneamiento Ambiental – CETESB. Brasil. En: www.cetesb.sp.gov.br. Consultado en septiembre de 2008 • Contraloría General de la República. Informe de Gestión. Manizales, 2006 • CORBITT, R. A. Manual de Referencia de la Ingeniería Ambiental. Ed: Mc Graw Hill. España, 2003 • COWLING, E. Acid precipitation in historical perspective. Environmental Science and Technology 16, 110A-123A. 1982

LIBRO2.indd 125

16/05/2010 13:10:33

126



BIBLIOGRAFÍA

• COWLING, E., NILSSON, J. Acidification research: Lessons from history and visions of environmental futures. Water, Air and Soil Pollution 85, 279-292. 1995 • DE MELO, W. Z., Precipitation chemistry in the coast of the Metropolitan Region of Rio de Janeiro, Brazil. Environmental Pollution 114, 235 – 242. 2001 • Departamento Técnico Administrativo de Medio Ambiente – DAMA. Bogotá. En: observatorio. dama.gov.co. Consultado en septiembre de 2008 • DOMENÉCH, X. Química Ambiental. El impacto de los residuos. Tercera edición. Miraguano Ediciones. Madrid, 1997 • DOMENÉCH, X. Química atmosférica. Miraguano Ediciones. Madrid, 1991 • ECHEVERRI, O. I. y VÉLEZ, L. A. Lluvia ácida en el Valle de Aburrá. En: Contaminación Ambiental. Vol. 10, N° 19. 1997 • Environmental Protection Agency – EPA. Los efectos de la lluvia ácida. Aguas de superficie y animales acuáticos. www.epa.gov/acidrain/spanish/effects/surface_water.html. Consultado en septiembre de 2008 • Federación Amigos de la Tierra, Bureau Europeo del Medio Ambiente. Lluvia ácida. Impacto Ambiental de las grandes instalaciones de combustión. Miraguano ediciones. Madrid, 1996 • FENGER, J. Urban air quality. Atmospheric Environment 33, 4877-4900. 1999 • FRAUME, N.J. Diccionario Ambiental. Ecoe Ediciones. Bogotá. 2006. • FUJITA, S. I., TAKAHASHI, A., WENG, J. H., HUANG, L. F., KIM, H. K., LI, C.K. Precipitation chemistry in East Asia. Atmospheric Environment. 34(4), 525-537. 2000 • FUKUSHIMA, H. Air pollution monitoring in East Asia – Japan’s role as an environmentally advanced asian country. Science and Technology Trends 18, 54-64. 2006 • GALLOWAY, J. Acid deposition: perspectives in time and space. Water, Air and Soil Pollution 85, 15-24. 1995 • GERARD, K. Ingeniería Ambiental. Fundamentos, entornos, tecnologías y sistemas de gestión. Ed.: Mc Graw Hill. España, 1999 • GONZÁLEZ, C. y MARISCAL, J. P. El fenómeno de la lluvia ácida y su presencia en la ciudad de Manizales. Ponencia presentada en la VI Jornada Técnica de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2008

LIBRO2.indd 126

16/05/2010 13:10:33

127

• GONZALEZ, M. C. La Calidad del Aire Asociado a partículas y gases en la ciudad de Manizales. Tesis de pregrado de Ingeniería Ambiental. Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira. 2005 • GORHAM, E. Acid deposition and it’s ecological effects: a brief history of research. Environmental Science and Policy 1, 153-166. 1998 • GUTIERREZ, M. C. La calidad del aire en Manizales, propuesta para una red de monitoreo. Tesis de pregrado de Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2000 • HARA, H. Acid deposition chemistry in Asia, Europe, and North America. Progress in Nuclear Energy 32, 331-338. 1998 • HEINKE, W. Ingeniería Ambiental. 2a Edición. Ed. PRENTICE HALL. México, 1999 • HERRERA, M. L. Aspectos físico químicos y medio ambientales de la lluvia ácida. IDEA. Universidad Nacional de Colombia - Sede Palmira. 1997 • HORDIJK, L., KROEZE, C. Integrated assessment models for acid rain. European Journal of Operational Research 102, 405-417. 1997 • Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales – IDEAM. Circulación general en Colombia. En: www.ideam.gov.co. Consultado en septiembre de 2008 • JARAMILLO, A. Clima andino y café en Colombia. CENICAFÉ. 2005 • JARAMILLO, J. D. Climatología urbana. Correlación Temperatura - Humedad Relativa. Temperatura - Radiación Solar. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. Trabajo de grado, 2006 • KORC, M. y SÁENZ, R. Calidad del aire y su impacto en la salud en América Latina y el Caribe. CEPIS. 2008 • KORC, M. y SÁENZ, R. Monitoreo de la Calidad del aire en América Latina. CEPIS. Programa para el control de la contaminación. Lima, 1999 • LARSEN, B. Cost of Environmental Damage: A socio economic and environmental helath risk assessment. Prepared for: Ministry of Environment, Housing and Land Development. Republic of Colombia. July 30, 2004 • LEON, G. E. Particularidades de la lluvia ácida en Santafé de Bogotá – Colombia. Universidad Nacional de Colombia. Departamento de Geociencias. En: Meteorología Colombiana. Bogotá N° 01 (mar 2000)

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128



BIBLIOGRAFÍA

• LONDONO, A., ROJAS, N., CALVACHE, M., GIGGENBACH, W.F., GARCIA, N., RODRIGUEZ, L. “The chemistry of fumarolic vapor and thermal-spring discharges from the Nevado del Ruiz volcanicmagmatic hydrothermal system, Colombia”. En: Estados Unidos Journal Of Volcanology And Geothermal Research. Ed: Elsevier. v.42 fasc. p.13 - 39 ,1990 • MENZ, F., SEIP, H. Acid rain in Europe and the United States: an update. Environmental Science and Policy 7, 253-265. 2004 • MESA, O. J. ¿A dónde va a caer este globo? Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín. Facultad de Minas. Medellín, 2007 • MORENO, C. Climatología Urbana. Textos Docentes 160. Departamento de Geografía Física y Análisis Geográfica Regional – División y Sociales, Ediciones de la Universidad de Barcelona. 1999 • MUÑOZ, C. Inventario y análisis de emisiones atmosféricas de las fuentes fijas ubicadas en la microcuenca de la quebrada Manizales. Tesis de la especialización en Ingeniería Ambiental. Universidad Nacional de Colombia. Sede Manizales. 2008 • National Atmospheric Deposition Program. Instruction Manual. NADP/NTN Site selection and installation. August, 2001 • Organización Mundial de la Salud. Air Quality Guidelines. Segunda Edición. Copenhagen, Dinamarca, 2000 • PABÓN, J. D., ZEA, J., LEÓN, G. HURTADO, G., GONZÁLEZ, O.C. y MONTEALEGRE J.E. El Medio Ambiente en Colombia. La atmósfera, el tiempo y el clima. Editado por IDEAM. 2008. • PELICHO, F. y MARTINS, D. Nomi, M. Integrated and secuencial bulk and wet only samplings of atmospheric precipitation in Londrina, south Brazil. Atmospheric Environment. 40(35), 68276835. 2006 • RAVISHANKARA, A., Heterogeneus and multiphase chemistry in the troposphere. Science 276, 1058-1065. 1997 • REEVE, R. N. introduction to environmental analysis. Editorial: Jhon Wiley & Sons Ltda. 2002 • Red de Vigilancia de la calidad del aire – REDAIRE. Medellín. En: www.unalmed.edu.co/redaire. Consultado en septiembre de 2008 • Red Metropolitana de Monitoreo Atmosférico de Quito – REMMAQ. En: remmaq.corpaire.org. Consultado en septiembre de 2008

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129

• RODHE, H., DENTENER, F., SCHULZ, M. The global distribution of acidifying wet deposition. Environmental Science Technology 36, 4382-4388. 2002 • ROJAS, N. Y. Material particulado atmosférico y salud. Una introducción a la problemática de la contaminación del aire por material particulado. Ediciones UNIANDES – Facultad de Ingeniería. Bogotá, 2005 • RUIZ, P. Estrategia para el fortalecimiento del sistema de monitoreo de la química de la precipitación en Colombia a través de un modelo conceptual. Universidad El Bosque. 2006 • SANDERSON, M., COLLINS, W. J., JOHNSON, C. E., DERWEN, R. G. Present and future acid deposition to ecosystems: The effect of climate change. Atmospheric Environment 40, 1275-1283. 2006 • SETO, S., HIROSHI, H. Precipitation chemistry in western Japan: its relationship to meteorological parameters. Atmospheric Environment 40, 1538-1549. 2006 • Sistema Nacional de Información de la Calidad del Aire - SINAICA. México. En: sinaica.ine.gob.mx. Consultado en septiembre de 2008 • STANLEY, M. “The Atmosphere And Atmospheric Chemistry” Environmental Chemistry Boca Raton: CRC Press LLC, 2000. • TAKAHASHI, W., ASUKA, J. The politics of regional cooperation on acid rain control in East Asia. Water, Air and Soil Pollution 130, 1837-1842. 2001 • TANG. A. ZHUANG, G., WANG, Y., YUAN, H., SUN, Y. The chemistry of precipitation and its relation to aerosol in Beijing. Atmospheric Environment. 39, 3397-3406. 2000 • TANG. A. HUANG, K., ZHUANG, G., XU, C., WANG, Y. The chemistry of the severe acid precipitation in Shanghai, China. Atmospheric Research. 89(1-2), 149-160. 2008 • United States – Environmental Protection Agency. United States Clean Air Markets Division. Environmental Protection Office of Atmospheric Programs. How to measure tha effects of acid deposition. A framework for ecological assesment. EPA 430-R-01-005. Junio de 2001 • VALLEJO, M. C. Toxicología Ambiental. Fuentes, cinética y efectos de los contaminantes. Fondo Nacional Universitario. Universidad Nacional de Colombia. 1997 • VELASCO, M. La calidad del aire asociado con metales pesados en la ciudad de Manizales. Tesis de Especialización en Ingeniería Ambiental. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2005 • VELASCO, H., SEGOVIA, E., HIDALGO, M., RAMÍREZ, S., GARCÍA, H., ROMERO, I., MALDONADO, A. M., ÁNGELES, F., RETAMA, A., CAMPOS, A., MONTAÑO, J., WELLENS, A. Lluvia ácida en los

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130



BIBLIOGRAFÍA

bosques del poniente del Valle de México. XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. 2002 • VALLEJO, M. C. Toxicología Ambiental. Fuentes, cinética y efectos de los contaminantes. Fondo Nacional Universitario. Universidad Nacional de Colombia. 1997 • VÉLEZ, J.I. y POVEDA, G, MESA, O. Balances hidrológicos de Colombia. Ed. Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. 1 Ed. 2000 • VÉLEZ, J., LONDOÑO, A., GONZALEZ, C., MARISCAL, J.P. y VALENCIA, M. Diagnóstico preliminar de la deposición ácida en la ciudad de Manizales, Colombia. Ponencia presentada en el VII Encuentro Latinoamericano de Estudiantes de Ingeniería Química. Universidad Federal de Río de Janeiro, Brasil, 2008 • VILLAMIL, C. M. Diseño de una red de monitoreo de lluvia ácida para Bogotá D. C. con base en un modelo conceptual del fenómeno. Tesis de Maestría en Ingeniería Ambiental. Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá. 2004 • VISGILIO, G., WHITELAW, D. Acid in the environment: Lessons learned and future prospects. Springer US Editor. 2007 • WANGWONGWATANA, S. Step by steb approach to establish Acid Deposition Monitoring Network in East Asia (EANET): Thailand’s experience. Water, Air and Soil Pollution 130, 151-162. 2001 • WARK, K. y WARNER, C. Contaminación del Aire. Origen y Control. Universidad de Purdue. Editorial: Limusa, Noriega Editores. México, 2001 • WILLIAMS, M. Air pollution and policy 1952-2002. Science of the Total Environment 334-335, 15-20. 2004 • WILLIAMS, S., STOIBER, R., GARCIA N., LONDONO, A., GEMMELL, B., LOWE, D. y CONNOR, C. “Eruption of the Nevado del Ruiz Volcano, Colombia, on 13 November 1985: Gas Flux and Fluid Geochemistry”. En: Estados Unidos • Science. Ed. American Association for the Advancement of Science v.233 fasc.4767 p.964 - 967 ,1986 • World Meteorological Organization Global Atmosphere Watch. Manual for the GAW precipitation chemistry programme. Guidelines, Data Quality Objectives and Standard Operating Procedures. November, 2004 • WRIGHT, R., SCHINDLER, D. Interaction of acid rain and global changes: effects on terrestrial and aquatic ecosystems. Water, Air and Soil Pollution 85,89-99. 1995

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131

Bibliografía de Internet • • • • • • • • •

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www.eanet.cc/eanet/brief.html www.atmosfera.cl www.cetesb.sp.gov.br www.ecologismo.com www.epa.gov www.foros.elpais.com www.ideam.gov.co www.ideam.gov.co/sectores/Lluvia/index5LÁcida.htm www.rae.es

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GLOSARIO Absorción: Acción de atraer o embeber un cuerpo y retener entre sus moléculas las de otro en estado líquido o gaseoso.

Ácido: Sustancia que en disolución aumenta la concentración de iones de hidrógeno y se combina con las bases para formar las sales.

Ácido Fluorhídrico: Líquido muy higroscópico y corrosivo, que hierve a la temperatura ordinaria; es un compuesto de flúor e hidrógeno. En estado gaseoso es incoloro, más ligero que el aire y deletéreo, y se emplea en el grabado de vidrio.

Ácido Sulfúrico: Líquido cáustico de consistencia oleosa, incoloro e inodoro, compuesto de azufre, hidrógeno y oxígeno, y que tiene muchos usos en la industria.

Acuífero: Que contiene agua.

Aerosol: Suspensión de partículas ultramicroscópicas de sólidos o líquidos en el aire u otro gas.

Aldehído: Cada uno de los compuestos orgánicos ternarios que se forman como primeros productos de la oxidación de ciertos alcoholes. Se utilizan en la industria y en los laboratorios químicos por sus propiedades reductoras.

Alícuota: Cantidad o porción especial o determinada de un agregado numeroso.

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GLOSARIO

Amoniaco: Gas incoloro, de olor irritante, soluble en agua, compuesto de un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno. Es un producto básico en la industria química. Fórmula NH3.

Anabático: Viento que tiene un componente vertical ascendente.

Argón: Gas abundante en la atmósfera y en las emanaciones volcánicas que, como todos los gases nobles, es químicamente inactivo.

Aromático: Se dice de las moléculas cíclicas, no saturadas, cuya estabilidad es superior a la de las estructuras de cadena abierta con igual número de enlaces múltiples.

Basalto: Roca volcánica, por lo común de color negro o verdoso, de grano fino, muy dura, compuesta principalmente de feldespato y piroxena o augita, y a veces de estructura prismática.

Beaker: Recipiente utilizado comúnmente en laboratorios para mezclar, agitar o calentar líquidos.

Biomasa: Materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía.

Biota: Conjunto de la fauna y la flora de un determinado lugar.

Brillo: Luz que refleja o emite un cuerpo.

Cadena Trófica: Cadena alimentaria.

Carbonato: Sal o éster del ácido carbónico.

Carbono: Elemento químico de número atómico 6. Es extraordinariamente abundante en la naturaleza, tanto en los seres vivos como en el mundo mineral y en la atmósfera. Se presenta en varias formas alotrópicas, como el diamante, el grafito y el carbón. Constituye la base de la química orgánica, y además de su importancia biológica, tiene gran variedad de usos y aplicaciones en sus distintas formas. Símbolo C

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Carboxihemoglobina: Combinación, difícilmente disociable, del óxido de carbono con la hemoglobina, que se forma durante una intoxicación por CO.

Catabático: Viento que tiene un componente vertical descendente.

Ceniza: Polvo mineral de color gris claro que queda como residuo de una combustión completa.

Clima: Conjunto de los estados atmosféricos sobre una determinada región (referidos a una determinada época -pues el clima es variable en grandes períodos de tiempo- y considerando el promedio y las variaciones extremas a que el estado atmosférico se halla sujeto). De esta forma, el clima está referido a un período suficientemente largo, teniendo en cuenta las variaciones periódicas y aperiódicas que se producen, y el desarrollo normal del tiempo meteorológico en el transcurso del año, en un lugar, región, continente, hemisferio o planeta.

Climatología: Ciencia que estudia el conjunto de las características climáticas de un espacio geográfico por un período de tiempo lo suficientemente representativo.

Cloro: Elemento químico de número atómico 17. Muy abundante en la corteza terrestre, se encuentra en forma de cloruros en el agua de mar, en depósitos salinos y en tejidos animales y vegetales. Gas de color verde amarillento y olor sofocante, es muy venenoso, altamente reactivo y se licua con facilidad. Se usa para blanquear y como plaguicida, en la desinfección de aguas y en la industria de los plásticos. Símbolo Cl.

Clorofluorocarbono: Nombre genérico de un grupo de compuestos que contienen cloro, flúor y carbón, utilizados como agentes frigorígenos y como gases propulsores en los aerosoles. Se conocen con las siglas CFC. Sus múltiples aplicaciones, volatilidad y estabilidad química son causa de que se acumule en la alta atmósfera, donde su presencia es causante de la destrucción de la capa de ozono.

Combustible: Que puede arder, o que arde con facilidad.

Combustión: Reacción química entre el oxígeno y un material oxidable, acompañada de desprendimiento de energía y que habitualmente se manifiesta por incandescencia o llama.

Compresibilidad: Propiedad de un cuerpo de disminuir su volumen bajo la influencia de una presión.

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GLOSARIO

Conductividad: Propiedad que tienen los cuerpos de transmitir el calor, el flujo o la electricidad.

Convección: Propagación del calor en fluidos y líquidos por el movimiento de sus partículas producido por las diferencias de densidad. El aire que se mueve por convección lo hace verticalmente.

Corrosión: Destrucción paulatina de los cuerpos metálicos por acción de agentes externos, persista o no su forma.

Crudo: Petróleo bruto, sin refinar.

Cuarcífera: Que contiene cuarzo.

Depuración: Acción y efecto de quitar las impurezas de una cosa.

Desnitrificación: Acción y efecto de extraer el nitrógeno de alguna sustancia.

Diatermancia: Propiedad que consiste en dejar pasar el calor.

Diesel: Fracción destilada del petróleo crudo, que se purifica especialmente para eliminar el azufre. Se usa normalmente en los motores diesel y como combustible en hogares abiertos.

Dispersión: Acción y efecto de separar, diseminar lo que debe estar reunido.

Dureza: Resistencia que opone un mineral a ser rayado por otro.

Eflorescencia: Transformación de las sales hidratadas que pierden parte del agua de cristalización en contacto con el aire.

Emisión: Acción y efecto de Arrojar, exhalar o echar hacia fuera algo.

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Eutrofización: Incremento de sustancias nutritivas en aguas dulces de lagos y embalses, que provoca un exceso de fitoplancton.

Exfoliación: Acción y efecto de dividir una cosa en láminas o escamas.

Expansibilidad: Propiedad que tiene un cuerpo de expandirse.

Fotoquímica: Rama de la ciencia que estudia los efectos de la luz sobre las reacciones químicas.

Fotosíntesis: Proceso metabólico específico de ciertas células de los organismos autótrofos, por el que se sintetizan sustancias orgánicas a partir de otras inorgánicas, utilizando la energía luminosa.

Fricción: Resistencia que ofrecen dos superficies en contacto al movimiento relativo de una de ellas con respecto a la otra.

Gas Natural: Gas constituido principalmente por metano, que se encuentra comprimido en algunas capas geológicas y que constituye un combustible excelente.

Gasolina: Mezcla de hidrocarburos líquidos volátiles e inflamables obtenidos del petróleo crudo, que se usa como combustible en diversos tipos de motores.

Halógeno: Nombre dado al cloro y a los elementos de su familia.

Helio: Elemento químico de número atómico 2. Gas noble escaso en la corteza terrestre, muy abundante en el universo, se encuentra en el Sol y en otras estrellas, en el aire atmosférico y en algunos yacimientos de gas natural; se usa para llenar lámparas incandescentes y globos aerostáticos y como diluyente de algunos gases medicinales. Símbolo He.

Hemoglobina: Proteína de la sangre, de color rojo característico, que transporta el oxígeno desde los órganos respiratorios hasta los tejidos.

Hidrocarburo: Compuesto binario de carbono e hidrógeno.

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GLOSARIO

Hierro: Elemento químico de número atómico 26. Metal muy abundante en la corteza terrestre, se encuentra en la hematites, la magnetita y la limonita, y entra en la composición de sustancias importantes en los seres vivos, como las hemoglobinas. De color negro lustroso o gris azulado, dúctil, maleable y muy tenaz, se oxida al contacto con el aire y tiene propiedades ferromagnéticas. Es el metal más empleado en la industria; aleado con el carbono forma aceros y fundiciones. Símbolo Fe.

Hule: Caucho o goma elástica.

Humus: Sustancia coloidal negruzca, resultante de la descomposición parcial, realizada por los microbios del suelo, de residuos vegetales o animales.

Ion: Átomo o agrupación de átomos que por pérdida o ganancia de uno o más electrones adquiere carga eléctrica.

Isoyeta: Curva para la representación cartográfica de los puntos de la Tierra con el mismo índice de pluviosidad media anual.

Kriptón: Elemento químico de número atómico 36. Gas noble raro en la atmósfera terrestre, se encuentra en los gases volcánicos y en algunas aguas termales. Se emplea en la fabricación de lámparas de fluorescencia. Símbolo Kr.

Léntico: Cuerpo de agua cerrado que permanece en un mismo lugar sin correr ni fluir, como un lago o laguna.

Limnología: Ciencia que estudia todos los fenómenos físicos y biológicos relativos a los lagos y, más generalmente, a las aguas dulces.

Lixiviación: Acción y efecto de tratar una sustancia con un líquido que disuelva uno o más componentes de la misma.

Mármol: Piedra caliza metamórfica, de textura compacta y cristalina, susceptible de buen pulimento y mezclada frecuentemente con sustancias que le dan colores diversos o figuran manchas o vetas.

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Metano: Primero de la serie de los hidrocarburos alifáticos. Es un gas incoloro, producido en las minas de carbón, y se desprende del cieno de algunos pantanos. Mezclado con el aire es inflamable y se llama grisú. Fórmula CH4.

Meteorología: Ciencia que estudia la atmósfera, comprende el estudio del tiempo y el clima y se ocupa del estudio físico, dinámico y químico de la atmósfera terrestre.

Micrómetro: Medida de longitud que equivale a la millonésima (10-6) parte del metro. Símbolo μm.

Microorganismo: Organismo microscópico, vegetal o animal.

Monómero: Molécula que puede reaccionar con otras moléculas idénticas para dar polímeros.

Neón: Elemento químico de número atómico 10. Gas noble escaso en la Tierra, pero muy abundante en el universo, se encuentra en el aire atmosférico y, como todos los elementos de su grupo, es químicamente inactivo. Se usa como gas de llenado de tubos fluorescentes. Símbolo Ne.

Neutralización: Acción y efecto de convertir en sustancias neutras los ácidos o las bases.

Nitrato: Sal o éster del ácido nítrico. Los nitratos constituyen el principal alimento nitrogenado de las plantas, por ello se utilizan como abonos en la agricultura.

Nitrificación: Formación aeróbica de nitratos a partir de materias orgánicas, que se realiza en dos fases: nitrosación y nitratación.

Normalidad: Concentración de una solución, expresada en equivalentes gramo por litro de solución.

Olefina: Hidrocarburo etilénico.

Oxígeno: Elemento químico de número atómico 8. Muy abundante en la corteza terrestre, constituye casi una quinta parte del aire atmosférico en su forma molecular O2. Forma parte del agua, de los óxidos,

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GLOSARIO

de casi todos los ácidos y sustancias orgánicas, y está presente en todos los seres vivos. Gas más pesado que el aire, incoloro, inodoro, insípido y muy reactivo, es esencial para la respiración y activa los procesos de combustión. Símbolo O.

Parafina: Cada una de las sustancias sólidas, opalinas, inodoras, menos densas que el agua y fácilmente fusibles, compuestas por una mezcla de hidrocarburos, que se obtienen como subproducto de la destilación del petróleo.

Percolación: Acción por la cual un líquido se mueve a través de un lecho poroso.

pH: Índice que expresa la concentración de iones H+ de una disolución. Entre 0 y 7 la disolución es ácida, y de 7 a 14, básica.

pH-metro: Equipo electrónico empleado para la medición de pH.

Plomo: Elemento químico de número atómico 82. Metal escaso en la corteza terrestre, se encuentra en la galena, la anglesita y la cerusita. De color gris azulado, dúctil, pesado, maleable, resistente a la corrosión y muy blando, funde a bajas temperaturas y da lugar a intoxicaciones peculiares. Se usa en la fabricación de canalizaciones, como antidetonante en las gasolinas, en la industria química y de armamento y como blindaje contra radiaciones. Símbolo Pb.

PM10:

Partículas cuyo diámetro es menor a diez micrómetros.

Polimerización: Reacción que, a partir de moléculas de escasa masa molecular, forma, por enlaces de estas, compuestos de masa molecular elevada.

Polvareda: Cantidad de polvo que se levanta de la tierra, agitada por el viento o por otra causa cualquiera.

Precipitación: Agua procedente de la atmósfera, y que en forma sólida o líquida se deposita sobre la superficie de la tierra.

Presión Atmosférica: La que ejerce la atmósfera sobre todos los objetos inmersos en ella. Su valor normal al nivel del mar es de 760 mm Hg.

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Propelente: Compuesto químico que se emplea para producir propulsión.

Protón: Partícula subatómica con carga eléctrica positiva, que constituye el núcleo de los átomos junto con los neutrones, y cuyo número, denominado número atómico, determina las propiedades químicas del átomo.

Pulimento: Operación de acabado a que se someten los objetos y superficies a fin de eliminar sus irregularidades y asperezas.

Radiación: Emisión y propagación de energía bajo forma de ondas o de partículas.

Radiactivo: Que tiene la propiedad de ciertos cuerpos cuyos átomos, al desintegrarse espontáneamente, emiten radiaciones. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el becquerel.

Rayos Gamma: Ondas electromagnéticas extraordinariamente penetrantes, producidas en las transiciones nucleares o en la aniquilación de partículas.

Recristalización: Nueva cristalización de una sustancia cuyos cristales habían sido disueltos.

Reductor: Cuerpo que tiene la propiedad de hacer que un átomo o un ion gane electrones.

Refinería: Fábrica o instalación industrial donde se hace más fino o más puro un producto.

Resiliencia: Índice de resistencia al choque de un material.

Resistencia Mecánica: Causa que se opone a la acción de una fuerza.

Roca Ígnea: Rocas volcánicas procedentes de la masa en fusión existente en el interior de la Tierra.

Sulfatación: Acción y efecto de Impregnar o bañar con sulfato.

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GLOSARIO

Tampón: Solución cuya concentración en iones hidronio (pH) no se modifica sensiblemente al introducir una base o un ácido fuerte.

Teragramos: 1012 gramos.

Troposfera: Zona inferior de la atmósfera, que se extiende hasta la altura de doce kilómetros aproximadamente.

Xenón: Elemento químico de número atómico 54. Gas noble presente en el aire en pequeñísima cantidad, denso, incoloro y no del todo inerte. Se emplea como gas de llenado de lámparas y tubos electrónicos. Símbolo Xe.

Yeso: Roca sedimentaria formada por sulfato de calcio hidratado y cristalizado.

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ANEXO 1 MANUAL DE PROCEDIMIENTO TÉCNICO TOMA Y ANÁLISIS DE MUESTRAS DE AGUA LLUVIA PARA IDENTIFICACIÓN DE DEPÓSITOS ÁCIDOS HÚMEDOS Objetivo Determinar el potencial de hidrógeno del agua durante un evento de lluvia y realizar una caracterización fisicoquímica de este.

Alcance Proyectos e investigaciones referentes a evaluación de calidad del aire, específicamente en el tema de deposición ácida.

Glosario Lluvia ácida: Lluvia ácida, dícese de la precipitación, normalmente en forma de lluvia, pero también en forma de nieve, niebla o rocío, que presenta un pH del agua inferior a 5,65. Ésta implica la deposición de sustancias desde la atmósfera durante la precipitación. Las sustancias acidificantes pueden presentar un carácter directamente ácido o pueden adquirir dicha condición por transformación química posterior. pH: Término que indica la concentración de iones hidrógeno en una disolución. Se trata de una medida de la acidez de la disolución.

Responsables El director del proyecto debe designar un mínimo de dos personas para el procedimiento de campo, además de las personas encargadas de realizar los respectivos análisis de laboratorio.

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ANEXO 1 - MANUAL DE PROCEDIMIENTO TÉCNICO

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Descripción de la técnica El muestreo se realiza empleando un plástico colector soportado en un equipo modular que permita un fácil transporte e instalación. En éste se recogen alícuotas para la medición de pH y temperatura in situ utilizando un pH-metro digital. El tiempo de recolección de cada alícuota es registrado con el fin de determinar la intensidad del evento en cada intervalo de medición. Estas alícuotas constituyen una muestra compuesta a la cual se le realiza la valoración de pH y temperatura en campo, y los análisis de laboratorio para la determinación de nitratos, sulfatos, conductividad (parámetros principales), y otros. Los análisis fisicoquímicos posteriores son realizados por un laboratorio certificado.

Equipos y materiales • Plástico de poliuretano de 1m de ancho por 1m de largo, con orificio central. • Estructura modular de PVC de 1m de altura. • pH-metro digital. • Beaker plástico de 250 ml. • Recipientes plásticos de 300 ml y 1 litro. • Cronómetro. • Nevera de icopor.

Figura A1. Equipo colector de depósitos húmedos. Foto: Carlos Mario González.

Reactivos • Agua bidestilada y desionizada. • Ácido clorhídrico 1 N.

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Tratamiento de la muestra Durante el evento de lluvia, es preciso evitar al máximo la contaminación por agentes externos de cada una de las alícuotas tanto en la captación, en la medición de pH y en la transferencia al recipiente final. Una vez colectada la totalidad de la muestra, se separa un volumen determinado para el análisis de nitratos, volumen al cual se adiciona 1 ml de HCl por cada 100 ml de muestra para dicho análisis. Posteriormente se sella el recipiente, se rotula adecuadamente y se introduce en la nevera para su transporte al laboratorio. Para cada uno de los análisis fisicoquímicos por realizar es preciso conocer los requerimientos de almacenamiento y vigencia de muestras según lo establece el Reglamento del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, RAS-2000, en el título E

Condiciones ambientales El equipo colector debe ubicarse sobre una zona preferiblemente plana y despejada, alejada de fuentes móviles y/o puntuales de gases, material particulado y otros agentes externos, como mínimo 20 m.

Interferencias • Construcciones cercanas. • Árboles, edificaciones y cableado eléctrico. • Fuentes de gases móviles y/o puntuales. • Contaminación de los recipientes y plástico colector.

Preparación de los equipos y materiales El pH-metro debe ser calibrado según las especificaciones del equipo. El plástico colector y los recipientes a utilizar, son lavados con jabón neutro y abundante agua. Se utiliza en su orden ácido clorhídrico diluido, agua destilada y durante el evento, una pequeña cantidad de agua lluvia para purgar los recipientes de almacenamiento. Los demás equipos utilizados deben conservar normas mínimas de limpieza.

Procedimiento detallado Calibración del pH-metro y adecuación del material.

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ANEXO 1 - MANUAL DE PROCEDIMIENTO TÉCNICO

Montaje de la estructura modular e instalación del plástico colector. Captación de alícuotas de 100 ml registrando la duración de cada captación. El volumen captado está sujeto a la intensidad del evento, guardando una proporcionalidad directa. Medición del pH de cada alícuota una vez captada. Se recomienda agitar la muestra durante la medición y cuando el valor sea estable por unos segundos, éste es registrado junto con la temperatura. Transferir cada alícuota al recipiente final de recolección. Finalizado el evento de lluvia, determinar pH y temperatura de la muestra compuesta. Separar en un recipiente ámbar una fracción de muestra (entre 100 y 200 ml) para el análisis de nitratos, adicionando HCl según las especificaciones mencionadas con anterioridad. Rotular los recipientes con la información requerida, sellarlos e introducirlos a la nevera para su transporte al laboratorio. Si las muestras no son analizadas inmediatamente, deben ser refrigeradas a 4°C teniendo presente la vigencia para cada análisis.

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ANEXO 2 MANUAL DE PROCEDIMIENTO TÉCNICO TOMA Y ANÁLISIS DE MUESTRAS DE MATERIAL PARTICULADO PARA IDENTIFICACIÓN DE DEPÓSITOS ÁCIDOS SECOS Objetivo Determinar el potencial de hidrógeno de material particulado en solución acuosa.

Alcance Proyectos e investigaciones referentes a evaluación de calidad del aire, específicamente en el tema de deposición ácida.

Glosario Depósitos secos: Material particulado proveniente de la sedimentación de partículas en la troposfera, producto de actividades tanto antrópicas como naturales. pH: Término que indica la concentración de iones hidrógeno en una disolución. Se trata de una medida de la acidez de la disolución. Concentración: Magnitud que expresa la cantidad de una sustancia por unidad de volumen.

Responsables El director del proyecto debe designar un mínimo de dos personas para el procedimiento de campo, además de las personas encargadas de realizar el respectivo análisis de laboratorio.

Descripción de la técnica

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ANEXO 2 - MANUAL DE PROCEDIMIENTO TÉCNICO

El muestreo se realiza empleando recipientes colectores plásticos en los cuales se almacena material particulado extraído de la superficie foliar de vegetación en cada una de las zonas de muestreo seleccionadas. Este material es separado de dicha superficie empleando un pincel delgado, recolectando una cantidad que permita la preparación de una solución de concentración determinada para su medición de pH.

Equipos y materiales • Recipientes plásticos de 10 cm de diámetro con tapa rosca. • Pincel de brocha delgada. • Cronómetro. • pH-metro digital. • Equipo de filtración al vacío. • Beaker de vidrio de 100 ml. • Placa con agitador magnético. • Papel filtro de celulosa. • Balanza analítica. • Pipeta graduada de 10 ml. • Guantes

Reactivos Agua bidestilada y desionizada.

Tratamiento de la muestra Durante la recolección de la muestra es necesario evitar agentes externos tales como insectos, hojas secas, ramas y humedad; para tal fin es recomendable realizar la recolección en un tiempo moderado. La muestra debe estar completamente sellada para evitar pérdidas durante su transporte. En el laboratorio emplear recipientes limpios y secos.

Condiciones ambientales Se requieren mínimo dos días de tiempo seco en la zona de interés para realizar la recolección del material particulado.

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Para la extracción se deben escoger hojas lisas, ubicadas a una altura de 1.7 metros aproximadamente y en la periferia de la planta.

Interferencias • Construcciones cercanas. • Fuentes de gases móviles y/o puntuales. • Contaminación de los recipientes, pincel y material de laboratorio.

Preparación de los equipos y materiales Los recipientes a utilizar y el pincel son lavados con jabón neutro, abundante agua y secados con aire. Los demás equipos utilizados deben conservar normas mínimas de limpieza. El pH-metro debe ser calibrado según las especificaciones del equipo.

Procedimiento detallado Comprende dos etapas: A. Muestreo Seleccionar hojas que estén a una altura que permita su fácil manipulación, que se encuentren en la parte periférica del árbol, y que no contengan material ajeno al recolectable. Empleando el pincel, limpiar cada una de las hojas, evitando hacer daño al tejido y recolectar el material particulado en el recipiente plástico. Utilizar guantes, y evitar al máximo el contacto con aire húmedo. Realizar el paso 2 hasta recoger una cantidad apreciable. Sellar el recipiente y rotularlo con la información requerida. Se debe tener en cuenta la duración del muestreo. B. Preparación de soluciones y medición de pH Calibración del pH-metro y adecuación del material. Pesar la muestra en la balanza analítica.

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ANEXO 2 - MANUAL DE PROCEDIMIENTO TÉCNICO

Agregar el volumen de agua destilada necesario para preparar una solución de concentración determinada según la siguiente fórmula:

Agitar la solución por 5 minutos empleando la placa agitadora. Filtrar al vacío y recoger el filtrado en un beaker de 100 ml. Determinar el pH del filtrado agitando lentamente así como la temperatura de la solución. Determinar el pH del agua empleada para realizar las diluciones.

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