Física y Medioambiente

Desde que en 1827 el matemático francés Fourier observó (se supone que tijeras de podar en mano) que ciertos gases, en particular el dióxido de carbono, retienen el "calor atmosférico" dentro de los invernaderos o más tarde, el Premio Nobel de 1903, el físico sueco Arrhenius, construye la teoría general del efecto invernadero y del calentamiento planetario, la Física y el Medioambiente iniciaron, como pareja de hecho, una fructífera colaboración que dura hasta nuestros días.

¿Cuál es la relación entre Física y medioambiente?

Vamos a ver: la presencia de la Física en el medioambiente y en las técnicas de control y medición de contaminantes se centra en tres áreas: el Sol, la Atmósfera, alta y baja (estratosfera y troposfera), y la Tierra. Si consideramos la

Atmósfera, nos adentramos en la Física de Fluidos. ¿Porqué?, pues por que si hablamos de la contaminación atmosférica, esta se desplaza según la Dinámica de la propia Atmósfera. Un ejemplo lo tenemos en la catástrofe de Chernobil, que sucede en Rusia pero que a los pocos días se detecta en Escocia, como consecuencia de un movimiento de masas de aire. De modo que conocer la Dinámica de la baja atmósfera, aquella que va desde el suelo hasta los 10.000 m. de altura, es fundamental para entender y predecir accidentes en nuestro medioambiente. Pero es que además, la contaminación atmosférica está "globalizada": puede existir un crecimiento del agujero de Ozono localizado en el centro de Europa (en el Hemisferio Sur es donde este fenómeno se manifiesta de manera más contundente) que, en pocas semanas, se desplace hasta el hemisferio Sur. Y para conocer la Mecánica de Fluidos tienes que conocer, a su vez, las bases fundamentales de la Física: las leyes de la Mecánica; de la Conservación de la Cantidad de movimiento, Momento angular, de la Energía así como otros procesos físicos como la propagación de Ondas sonoras y electromagnéticas, etc., etc. Otro ejemplo: caso Prestige. Para conocer los desplazamientos de las corrientes marinas, que determinarán el desplazamiento a su vez de las manchas de petróleo, se emplean métodos físicos, de los que hablaremos después.

Has citado la capa de Ozono....

Dimensiones del agujero de la capa de ozono

Si, la contaminación en el mar o en la atmósfera pertenece a la Física Troposférica. Pero si miramos la Estratosfera, nos encontramos con la capa de Ozono que, como sabéis, es un absorbente de la radiación ultravioleta. En este caso entonces estamos hablando de radiaciones electromagnéticas, del conocimiento de las ondas electromagnéticas, que representan el movimiento de los campos eléctricos y magnéticos. De manera que, para conocer el daño que se está produciendo en la Capa de Ozono, usamos una gran variedad de procesos físicos: absorción, intensidad de la radiación, espectro electromagnético, etc. De nuevo, Física. Un problema más global: el calentamiento de la Tierra y por tanto el cambio climático. Ahí la Física está tan implicada que vale la pena hacer un poco de historia sobre las personas que, en su momento, señalaron el camino: En 1827, el matemático francés Fourier, observa, por primera vez, que ciertos gases, en particular el dióxido de carbono, retienen el “calor atmosférico”. Este fenómeno es similar al que él mismo ha visto en los invernaderos y por ello crea el termino "effet de serre". Desde entonces, el "efecto invernadero" ha sido el nombre utilizado para designar este fenómeno. Tyndall, físico irlandés de finales del XIX, destacado por sus investigaciones sobre la dispersión de la luz a través de las suspensiones coloidales y de sus estudios sobre el deshielo, profundiza en el estudio del clima y observa que gases como el CO2 presentes en la atmósfera absorben la radiación infrarroja, que es aquella que emite la Tierra, y por tanto pueden afectar al equilibrio térmico de nuestro Planeta. Y el tercero, el que realmente organiza toda la teoría del efecto invernadero y del calentamiento planetario, es el Premio Nobel de 1903, el sueco Arrhenius, un físico que trabaja en electroquímica. De manera que fíjate si la Física tiene presencia en el conocimiento del medioambiente.

Sí, da la impresión de que la Física ha tenido una importancia decisiva....

Y la tiene...... Para hacer todo ese cálculo uno se apoya en la emisión del “cuerpo negro”, ya sea del Sol o de la Tierra, como “cuerpo negro” imperfecto como consecuencia de la presencia de los gases de efecto invernadero.....

Ahí me he perdido....

Bueno, un “cuerpo negro” es un cuerpo que emite toda la radiación igual que absorbe toda la radiación que le llega. La potencia P radiada por un cuerpo negro perfecto viene dada por la ley de Stefan: P = sT4 en donde T es la temperatura en grados kelvin y s la constante de Stefen-Boltzmann. La radiación electromagnética que emite tiene su máxima intensidad a una longitud de onda (expresada en µ) dada por la ley de Wien: I ~ 3000/T . Así como la superficie del Sol se encuentra a una temperatura de ~ 6000 K su máxima intensidad se emite para una longitud de onda de 0.5 µ que corresponde al verde. Por otro lado, la superficie de la Tierra se encuentra a una temperatura media de ~290 K y por lo que emite una radiación cuyo máximo está centrado alrededor de 10 µ. Por tanto, si existen gases en la atmósfera que absorben esta radiación la energía emitida por la tierra se mantiene dentro de ella produciendo un sobrecalentamiento. Este fenómeno es el denominado Efecto Invernadero.

Entiendo.......Yo mismo a finales de agosto y en bañador....

Ja, ja, ja.....¡sí, algo parecido!

Perdóname....Nos habíamos quedado en la Estratosfera....

¡tenemos un vehículo por cada tres habitantes, trece veces más que hace sólo 35 años!...

Bueno, hay, dentro del medioambiente, otros tipos de contaminación que también conciernen a la Física. El ruido es uno de ellos, una onda sonora que como sabes se mide en decibelios (dB). Una contaminación muy peligrosa, por cierto y cuyo principal causante en las ciudades es el tráfico (¡tenemos un vehículo por cada tres habitantes, trece veces más que hace sólo 35 años!...). Fíjate, nosotros aquí, ahora, estamos a 50/60 dB. Una iglesia o sala de conciertos (sin público ni músicos, claro), puede tener un nivel sonoro de 20/30 dB. Pero si recibes un ruido en tu oído que viene de fuera, o de dentro, y que se llama tinítus que padece mucha gente (¡yo, por ejemplo!), con solo 10 decibelios, menos ruido que el que hace una hoja al caer, te puedes volver loco si tu sistema de defensa no lo puede rechazar....

¿Debo pensar que estoy ante el típico “físico loco”?......

Testeo rutinario de radioactividad (Chernobil)

Si....¡Digo, no!....A ver, no nos dispersemos..... Finalmente está la contaminación radioactiva, que entra también de lleno en el campo de la Física. Por una parte, estamos sometidos a los rayos cósmicos y, por otra, utilizamos la radioactividad para aplicaciones médicas y producir energía, hoy de fisión y, probablemente en el futuro, de fusión. No obstante, este campo está muy solapado con el área de la Química.

Me estaba preguntando si un conocimiento tan detallado del medioambiente realmente nos protege frente al futuro.....

...los países pobres venden su potencial contaminante a los países ricos o industrializados...

Hombre, yo creo que el conocimiento físico profundo sí que sirve para concienciar a la gente....... Aunque es cierto que todavía estamos lejos de cumplir los acuerdos de Kioto. Fíjate que hoy en día, que se compra y se vende todo, también se compra la cuota de emisión de contaminantes que, en virtud precisamente de estos acuerdos, tenemos los países. Es decir, los países pobres venden su potencial contaminante a los países ricos o industrializados, simplemente porque son pobres, porque carecen de industria y, por lo tanto, de capacidad para contaminar. Esta inercia hay que romperla más pronto que tarde....

¿Hay algún proyecto de investigación en el que trabajes actualmente?

El aumento de los niveles de ozono provoca un mayor número de fallecimientos por enfermedades respiratorias

Actualmente trabajo en un estudio sobre la relación entre la contaminación atmosférica y el fallecimiento por enfermedades respiratorias en la Comunidad de Madrid. Y la verdad es que es impresionante: hemos encontrado que un pequeño aumento de 10 µgr/m3 de Ozono produce un aumento en el número de fallecimientos por causas respiratorias del 14% en personas mayores de 65 años.

¿Pero no habíamos quedado en que la contaminación ha disminuido?.....

Bueno, la contaminación, en contra de lo que pudiera parecer, no ha disminuido. Más bien ha aumentado. Es decir, ha disminuido la concentración de SO2, de partículas, de óxidos de Nitrógeno, y componentes orgánicos volátiles.....pero el Ozono ha aumentado. Este es un contaminante atmosférico indirecto porque proviene de una reacción de los óxidos de Nitrógeno y de los componentes orgánicos bajo la radiación Ultravioleta solar.

(¡Glup!) ¿Y qué es lo que podemos hacer? La verdad es que no es muy halagüeño el futuro...

Hombre, yo creo que hay que encontrar una fuente de energía no contaminante. El gran problema es el calentamiento del planeta a lo que contribuyen, principalmente, el transporte, la industria y centrales térmicas. Y solo hay dos energías importantes posibles: la fusión y la fisión. Hay otra menos importante, aunque significativa, que es la energía eólica. La fisión, la energía que se libera con la desintegración del átomo, la energía atómica, tiene muy mala prensa por la supuesta inseguridad de las centrales nucleares y sobre todo por el problema de los residuos radioactivos, etc.......Sin embargo, a pesar de todo, es la energía mejor de que disponemos ahora y, muy al contrario de lo que estamos haciendo, deberíamos seguir investigando en residuos y seguridad nuclear hasta tener a punto la otra gran energía, por fusión, para la que todavía es necesario que pasen bastantes años.

Sí, eso lo he leído o me lo ha comentado algún otro físico.....¡No pasáis una!, ¿eh?....Qué nos queda.....¡Ah, sí! Las técnicas físicas que se aplican para todo esto....

La Física tiene una importancia enorme en las técnicas de detección de contaminantes atmosféricos. La mayoría de las técnicas que hoy en día se están utilizando para medir, in situ, los contaminantes atmosféricos son técnicas físicas. Si empezamos por el Ozono, observamos como el aumento en la precisión de las técnicas actuales ha influido mucho en la percepción de los problemas. Hasta hace poco se pensaba que 120 microgramos de metros cúbicos de Ozono no eran peligrosos. Hoy sabemos, precisamente mediante técnicas de absorción ópticas, que variaciones de 10 microgramos son importantes en el nivel de contaminación para considerarlas nocivas (¡ten en cuenta que estamos hablando de partes por billón de Ozono!. Para que te hagas una idea, lo que representaría un solo blanco entre una población de mil millones de negros....).

...el aumento en la precisión de las técnicas actuales ha influido mucho en la percepción de los problemas.

Para medir la concentración de los óxidos de Nitrógeno se utilizan métodos por quimiluminiscencia; el SO2, por fotoluminiscencia, también una técnica física; para medir la concentración de partículas se utilizan técnicas de absorción beta o técnicas de dispersión de luz..... No obstante, en los últimos años adquiere mucha importancia la detección remota, la que se utiliza para medir los contaminantes a gran distancia. La utilización de la emisión Láser es muy utilizada en las técnicas remotas: un pulso de luz Láser, muy potente, puede viajar muchos Km. Pues bien, ese rayo de luz, al devolverlo la atmósfera, trae consigo información de lo que ha encontrado por el camino.

Hoy día estos láseres se empiezan a montar en satélites que posibilitan la medición de la contaminación en diferentes áreas del Mundo, incluido el mar. O en aviones, desde donde se puede medir si en una determinada área de un país está contaminada su flora, por ejemplo. A través de la excitación con radiación ultravioleta, las plantas emiten una luz de longitud de onda distinta si están sanas o contaminadas (si están sanas y tienen clorofila emiten en el rojo; si están dañadas, que se denomina estrés de las plantas, emiten en el azul).

Para la medición del ruido se utilizan materiales basados en los PZT, materiales cuyo fundamento está dentro de la Física. No hablemos ya de la radioactividad o de la fusión, es decir, la fabricación de plasma por confinamiento. Algo parecido a lo que se produce en el Sol, formación de plasma por millones de grados, y que nosotros tratamos de lograr por confinamiento magnético. Métodos físicos todos ellos, como verás.

Francisco Jaque

Catedrático del Departamento de Física de Materiales de la UAM.

En la actualidad imparte clases de: Laboratorio de primer curso, así como las asignaturas Bases Físicas del Medioambiente y la optativa Luz y Medioambiente, en Ciencias Mediambientales.

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