La atmósfera, un reactor químico con su propio sistema de limpieza

Diana Rodríguez Rodríguez, Universidad de Castilla-La Mancha

La composición de la atmósfera está en continua evolución. Varía de un lugar a otro en función de la altitud, latitud, época del año y a lo largo del día. No obstante, se establece que los componentes mayoritarios en la atmósfera por debajo de los 60 km de altitud son nitrógeno, oxígeno y argón en una proporción estacionaria del 78 %, 21 % y 1 %, respectivamente.

El resto de los componentes son las denominadas especies traza. La concentración de estos compuestos que se emiten a la atmósfera por procesos naturales, y en los últimos tiempos cada vez más por la actividad humana, es menor del 0,0001 %.

A pesar de su baja concentración, estas sustancias minoritarias son perjudiciales para los seres humanos, los animales, las plantas, y los recursos naturales y artificiales. Además, pueden intervenir en multitud de reacciones en la atmósfera y provocar efectos sobre el medio ambiente como el smog fotoquímico, la lluvia ácida, el agujero de la capa de ozono y el cambio climático.

Entre las principales especies traza se encuentran gases como los óxidos de nitrógeno (NOₓ), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO₂) y dióxido de azufre (SO₂). También metano (CH₄), ozono (O₃), vapor de agua (H₂O) y compuestos orgánicos volátiles (COVs). Además de las especies en fase gaseosa, la atmósfera también contiene partículas y aerosoles de distinta naturaleza y tamaños.

Los agentes oxidantes atmosféricos

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea totalmente la Tierra y se puede dividir en capas atendiendo a la variación de la temperatura con la altitud. Según nos alejamos de la superficie terrestre, se producen una serie de variaciones de temperatura y presión.

La presión, que a nivel de la superficie del mar está en torno a 1 atmósfera, disminuye de forma casi exponencial con la altura. Sin embargo, la temperatura no responde a un perfil tan predecible como la presión, por lo que la atmósfera puede clasificarse de acuerdo con la variación de temperatura en cinco grandes regiones, de arriba hacia abajo: exosfera, termosfera, mesosfera, estratosfera y troposfera.

De estas capas de la atmósfera, la troposfera es la más importante desde el punto de vista químico. Es la región donde nos encontramos, en la que se produce el tiempo atmosférico y donde se generan y/o emiten la mayoría de las especies traza. Por tanto, es donde tienen lugar los principales procesos de transformación de estas especies.

La troposfera es una zona de gran reactividad química a causa de la gran variedad de especies altamente reactivas como los radicales hidroxilos (OH•), nitrato (NO₃•), hidroperoxilo (HO₂•) y alquilperoxilo (RO₂•), cloro (Cl•) y la molécula de ozono troposférica (O₃). Estos compuestos son considerados los principales agentes oxidantes troposféricos; reaccionan con la mayoría de las especies traza mencionadas anteriormente.

Procesos de limpieza atmosférica

Por tanto, la troposfera es la capa de la atmósfera que se comporta como un gran reactor químico de la Tierra por su potente capacidad oxidativa. La mayoría de los compuestos traza emitidos se eliminan mediante reacciones químicas de oxidación que involucran a los anteriores agentes oxidantes.

Sin estos procesos, la composición atmosférica y el clima serían muy diferentes al actual. Sin un proceso de oxidación eficiente, los niveles de muchos compuestos traza podrían elevarse a concentraciones tan altas que cambiarían radicalmente la naturaleza química de nuestra atmósfera porque muchos de ellos son gases de efecto invernadero (dióxido y monóxido de carbono, metano y ozono, vapor de agua y ozono troposférico). Por esta razón, las reacciones de oxidación a veces se denominan procesos de limpieza atmosférica.

Hay que considerar también que la meteorología influye en el poder oxidativo de la atmósfera, ya que puede favorecer el transporte de estas especies traza. Si este transporte es muy eficiente, significa que las emisiones locales de estas especies con tiempos de vida medios de unos días pueden ser transportadas a largas distancias, llegando a otras zonas muy alejadas. Por esta razón, actividades locales tienen implicaciones a escala global, y al contrario, una determinada región puede recibir un impacto como consecuencia de actividades realizadas en otras partes del planeta.

Progresos de la química atmosférica

Los avances en la investigación de la química atmosférica han contribuido al desarrollo del conocimiento de la contaminación atmosférica y han permitido la formulación de políticas para proteger la salud humana y a los ecosistemas. Aunque aún quedan muchos desafíos por conseguir, se han alcanzado grandes hitos en el conocimiento de procesos como el agujero de la capa de ozono, el smog fotoquímico y la lluvia ácida.

La química atmosférica está avanzando rápidamente debido en gran medida a los avances en la comprensión de los procesos químicos en la atmósfera, a la innovación de las tecnologías de medición in situ y de detección remota de la atmósfera, así como el desarrollo de modelos matemáticos.

Continuamente se hacen descubrimientos que ayudan a conocer mejor la capacidad oxidativa de la atmósfera. Por ejemplo, un estudio publicado hace unos días ha demostrado que en la atmósfera se forma un compuesto, el hidrotrióxido (ROOOH), que parece ser el producto de la reacción entre los agentes oxidantes RO₂• y OH•.

El ROOOH puede descomponerse en una especie de oxígeno altamente reactiva, el oxígeno singlete (¹O₂*), que es otro potente agente oxidante que podría competir con los principales agentes oxidantes troposféricos que actualmente se tienen en cuenta en la química de la atmósfera y participar en los procesos oxidativos.

Sin duda en los próximos años se producirán avances sorprendentes en la comprensión química de la atmósfera de la Tierra. Es de esperar que la investigación se centre en el estudio de las implicaciones y mitigación del cambio climático, puesto que es uno de los mayores desafíos al que se enfrenta la sociedad actualmente.

Queda mucho trabajo por hacer en el fascinante campo de la química atmosférica y muchos compuestos y reacciones por descubrir.

Diana Rodríguez Rodríguez, Profesora Titular de Universidad, Universidad de Castilla-La Mancha

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.