El material particulado atmosférico (MPA) se define como “Cualquier sustancia a excepción del agua pura, presente en la atmósfera en estado sólido o líquido bajo condiciones normales y cuyo tamaño se considera está comprendido entre los 0,002-100 μm de diámetro” (Finlayson-Pitts, 2000). El término más general aerosol (partículas sólidas o líquidas incluidas en gas o aire) también es utilizado en la literatura. Generalmente ambos términos se emplean indistintamente.
Son consideradas fuentes naturales las erupciones volcánicas, las actividades sísmicas, actividad geotérmica, incendios no provocados de zonas silvestres, resuspensión atmosférica debido a fuertes vientos y el transporte de partículas naturales procedentes de regiones áridas (EU, 1999). Esta definición de fuentes naturales se ha visto modificada recientemente en la nueva propuesta de directiva de calidad del aire de la Unión Europea (2008/50/CE) como “Emisiones de contaminantes no causadas directa o indirectamente por las actividades humanas”. Según esta definición, también se incluiría el aerosol marino, el cual no se ha considerado como tal en anteriores directivas (EU, 1999).
Las partículas primarias son emitidas directamente a la Atmósfera desde la fuente emisora, sin sufrir ninguna transformación física o química.
Las partículas secundarias son el resultado de transformaciones químicas a partir de la emisión de precursores gaseosos mediante transformaciones químicas. Estos procesos de conversión de gas a partícula pueden conducir a la formación de partículas nuevas por condensación que después aumentan por coalescencia. A este proceso se le denomina nucleación homogénea. Por el contrario si la condensación se produce sobre partículas ya existentes, entonces se denominará nucleación heterogénea. En ambos procesos se produce un aumento en la masa de partículas por unidad de volumen, pero solo en la nucleación homogénea se produce un aumento de número de partículas por unidad de volumen. Las partículas secundarias están incluidas en su mayoría en el rango de las partículas finas además de ser en gran parte de origen antrópico.
Las partículas naturales primarias proceden fundamentalmente de la resuspensión del suelo, océanos, volcanes y fuentes biogénicas.
El MPA puede considerarse como un sistema complejo desde el punto de vista mineralógico y químico. Dependiendo de las zonas de muestro (rurales, urbanas, industriales…), la mineralogía y química global de las partículas es muy variada. Se pueden considerar los siguientes grupos principales:
- Fracción mineral
- Aerosol marino
- Compuestos Inorgánicos Secundarios (CIS)
- Compuestos Orgánicos
A estos grupos generales hay que añadir otros compuestos complejos derivados de las actividades industriales, los cuales aportan concentraciones anómalas desde un punto de vista geoquímico a la Atmósfera.
A pesar de que las emisiones antropogénicas de MPA son mucho menos importantes a escala global que las emisiones naturales, el MPA de origen antrópico es mucho más importante en las áreas urbanas. Además, es más toxico que el de origen natural debido fundamentalmente a su composición química.
La fracción mineral refleja la composición mineralógica y química del área fuente. En este grupo destaca la presencia de carbonatos tales como calcita (CaCO3) y dolomita CaMgCO3, y silicatos, como cuarzo (SiO2), feldespatos y arcillas, como la caolinita e ilita, así como menores cantidades de yeso (2H2O CaSO4) y óxidos de hierro como la hematites (Fe2O3).
Estas partículas se caracterizan por su granulometría predominantemente gruesa, aunque dependiendo de la velocidad del viento pueden encontrarse partículas en el rango de las finas (Alfaro et al., 1998). Su transporte puede alcanzar dimensiones intercontinentales, por ejemplo aquellas partículas incluidas en las masas de aire procedentes del desierto del Sahara (e.g. Prospero, 1999; Rodríguez et al., 2002) y del Gobi (Xuan y Sokolik, 2002).
El aporte de aerosol marino es el más abundante después de la fracción mineral debido a la existencia de un 90% de áreas oceánicas sobre continentales en la Tierra. El spray marino se genera por la ruptura de las olas y la acción del viento sobre la superficie de los océanos. (Woodcock, 1953).
Desde un punto de vista químico, su composición es similar a la del agua marina, constituida principalmente por NaCl (halita), KCl (silvina) y sulfatos de calcio, magnesio y potasio, siendo sus fracciones granulométricas principalmente gruesas (> 20μm), aunque también depende del mecanismo de formación.
Los compuestos de azufre y nitrógeno presentes en la atmósfera tienen generalmente un origen secundario, ya que se generan como resultado de la oxidación de sus precursores gaseosos. Son denominados Compuestos Inorgánicos Secundarios y en este grupo destacan sulfatos, nitratos y amonio.
Los sulfatos se originan por oxidación de los gases de azufre naturales presentes en la atmósfera, como SO2 de volcanes, o dimetil sulfuro ((CH3)2S, DMS) en los océanos.
Los nitratos resultan de la oxidación de los óxidos de nitrógeno (NOx) de fuentes naturales como la desnitrificación de los suelos, los incendios forestales, las descargas eléctricas que ocurren en las tormentas y emisiones biogénicas (Seinfeld y Pandis, 1998).
Los principales precursores gaseosos antropogénicos de los nitratos son los óxidos de nitrógeno (NOx), emitidos por el tráfico rodado y por procesos industriales a través de la combustión de gas, carbón o fueloil y biomasa.
Los Compuestos Orgánicos se clasifican en compuestos semivolátiles y volátiles. Los primeros a su vez se subdividen en compuestos órgano-halogenados que incluyen a los PCB y DDT, e hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) procedentes de la combustión incompleta de la materia orgánica y compuestos derivados del petróleo.
Las amplias extensiones de masa vegetal (especialmente coníferas) son consideradas las fuentes principales de precursores gaseosos de aerosoles orgánicos secundarios.
El tamaño del MPA viene definido por el diámetro equivalente ya que la forma de las partículas es irregular. El más utilizado es el diámetro aerodinámico el cual se define como el diámetro de una esfera de densidad unidad con la misma velocidad de depósito gravitacional que la partícula que está siendo medida. La unidad en la que se expresa es el micrómetro (μm). Su equivalencia es 10-6 m, 10-4 cm o 10-3 mm. El diámetro de las partículas en suspensión varía desde nanómetros hasta decenas de micras.
Todos los aerosoles están constituidos por una gran variedad de tamaños. La distribución de tamaños hace referencia a la variación de la concentración con el tamaño de partícula. La concentración de un aerosol puede expresarse en función de diferentes parámetros de las partículas: número, área superficial, masa, volumen... Aunque la propiedad más considerada comúnmente de un aerosol, por sus efectos en la salud y el medio ambiente es la concentración en masa (masa de material particulado por unidad de volumen). Las unidades normalmente usadas son g/m3, mg/m3 y μg/m3.
La distribución de tamaño del aerosol puede dividirse en regiones o modas de un rango de tamaños donde se produce un máximo en la concentración. El número mayor de modas se diferencia cuando las medidas se realizan sobre la concentración en número de partículas.
Las partículas pueden ejercer una influencia muy variada en nuestro medio ambiente y sobre todo en la salud humana, cambio climático, daños en los edificios y monumentos y disminución de la visibilidad.
Esquema del aparato respiratorio humano
(Modificada; EPA, 2004)
Desde un punto de vista de la salud humana, la contaminación atmosférica es un fenómeno conocido y estudiado históricamente en el área clínica y la salud pública.
La interpretación de las reacciones que produce la contaminación atmosférica por MPA en la salud humana se fundamenta en estudios toxicológicos y epidemiológicos. En los estudios toxicológicos experimentales en el hombre o animales, es el investigador quien controla la concentración, duración y condiciones de exposición. En los estudios epidemiológicos se observa los sucesos que se desarrollan en las poblaciones humanas bajo condiciones naturales. En este caso como medida de contaminación atmosférica se utilizan normalmente los datos de las Redes de Calidad del Aire. (Ballester et al., 1999).
La atmósfera es la parte del medio ambiente en la cual el ser humano está permanentemente en contacto, por lo tanto el sistema respiratorio constituye la principal vía de entrada al organismo para el material particulado atmosférico. El grado de penetración dependerá del tamaño de partícula, ya que a menor tamaño, la partícula podrá eludir más fácilmente los mecanismos de defensa del sistema respiratorio.
Según criterios de la UNE (EN 12341, 1999) podemos clasificar el MPA en fracción inhalable (< 30μm), fracción extratorácica (>10 μm), fracción torácica (<10 μm), fracción traqueobronquial (10-2.5 μm) y fracción alveolar (<2.5 μm).
Los efectos que pueden producir son muy diversos debido a la variabilidad de granulometría, composición química y morfología que podemos encontrar. Diversos estudios epidemiológicos (Schwartz, 1994; Dockery y Pope, 1996, WHO, 2006; Analitis et al., 2006) ponen de manifiesto la existencia de una relación directa entre los niveles de PM10 (material particulado con diámetro < 10 μm; partículas torácicas) y el número de muertes y hospitalizaciones diarias debidas a enfermedades pulmonares y cardiovasculares.
En la tabla se presentan algunos indicadores de los efectos en la salud producidos por partículas en suspensión. Se relaciona un incremento de concentración de MPA (10 μg/m3) con el cambio en % de cada indicador de efecto sobre la salud (Dockery y Pope. 1994).
| Indicador del efecto sobre la salud | Cambio (%) del indicador de efecto asociado a un incremento de 10μg/m3 de PM10 | |
| Incremento de mortalidad diaria | Muertes por todas las causas | 1 |
| Muerte por causas respiratorias | 3,4 | |
| Muertes por causas del aparato respiratorio | 1,4 | |
| Incremento de la demanda de atención hospitalaria (enfermedades respiratorias) | Ingresos | 0,8 |
| Urgencias | 1 | |
| Exacerbación del asma | Crisis asmáticas | 3 |
| Uso de broncodilatadores | 2,9 | |
| Visitas a urgencias | 3,4 | |
| Ingresos hospitalarios | 1,9 | |
| Disminución de la función pulmonar | Volumen expiratorio máximo por segundo | 0,15 |
| Flujo expiratorio máximo | 0,08 | |
Fuente: Dockery y Pope. 1994
La visibilidad puede definirse como el grado al cual la atmósfera es transparente a la luz visible. Su degradación es producida principalmente por la dispersión (scattering) y absorción de la luz por partículas finas suspendidas en el aire
La contaminación atmosférica produce daños tanto estéticos como físicos en los materiales de forma que edificios, monumentos y obras de arte pueden verse perjudicadas por la deposición seca o húmeda del MPA.
Los daños físicos se producen por la deposición húmeda de contaminantes como material particulado (principalmente sulfatos y nitratos) y SO2. que aceleran los procesos normales de degradación por agentes atmosféricos. (EPA, 2004). Los efectos corrosivos producidos por MPA y el SO2 dependen del tipo de material. Los efectos producidos por los contaminantes en los metales han de sumarse a la corrosión que de forma natural producen los agentes atmosféricos.
Desde un punto de vista de cambio climático y efecto del MPA sobre los ecosistemas, las partículas atmosféricas alteran la cantidad de radiación solar trasmitida a través de la atmósfera terrestre.
La absorción de radiación solar por partículas atmosféricas junto a la captura de radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre por parte de ciertos gases, intensifica el calentamiento de la superficie terrestre y la baja atmósfera, es el conocido efecto invernadero. Los efectos producidos por el MPA, incluye la alteración de la cantidad de radiación ultravioleta procedente del Sol que llega a alcanzar la superficie terrestre lo que puede ejercer efectos en la salud humana, la biota y otros componentes ambientales