4.- variables climáticas y el ambiente

Para comenzar….

La atmósfera de la Tierra es la capa formada por una mezcla de diferentes gases que está en contacto con la superficie terrestre, los cuales son retenidos por la gravedad de la Tierra y forman una capa de cientos de kilómetros de espesor con un perfil de densidad característico (para una descripción completa ver por ejemplo [1]). Respecto a la composición global de la atmósfera, está bien establecido que hasta una altura de aproximadamente 90 − 100 km sobre la superficie, la turbulencia hace que la composición de la atmósfera sea uniforme y no dependa del peso molecular de los gases constituyentes.

En esta región llamada homósfera, el nitrógeno es el elemento dominante, con una concentración volumétrica de N2 de 78,08 %, seguido por: Oxígeno (O2 ), 20,95 %; Argón (Ar), 0,93 %; dióxido de carbono (CO2 ), 0,04 % = 400 ppmv (1 ppmv=1 parte por millón en volumen. En Junio de 2014 la concentración global de CO2 superó por primera vez la marca de los 400 ppmv, alcanzando el valor de 401,14 ppmv); y trazas de otros elementos y moléculas (Ne, He, CH4 , SO2 , NOx , etc). La hidrósfera, por su parte, contribuye con una fracción importante de vapor de agua al sistema atmosférico, haciendo que la concentración de vapor de agua (H2O) varíe en el rango de 0,001 % − 5 % dependiendo de las condiciones meteorológicas y climáticas locales [2]. Como todo fenómeno turbulento, la mezcla de gases en el aire es efectiva a distintas escalas espaciales y temporales. Sin embargo, es claro que en escalas pequeñas como el tamaño de una ciudad, la geografía y las características locales del terreno y los vientos son  determinantes a la hora de evaluar la concentración de los distintos componentes atmosféricos de un determinado lugar.

En función de esto, es necesaria la medición localizada de distintas variables si lo que se quiere es determinar con precisión aquellas variables de interés, como por ejemplo, las concentraciones de gases de efecto invernadero [3] o de polución atmosférica (por ejemplo, ver [4]). Se denominan gases de efecto invernadero (GHG, Greenhouse gases, por sus siglas en inglés) a aquellos gases que absorben o emiten radiación electromagnética fundamentalmente el rango infrarrojo, con poca o nula emisión o absorción en el rango visible. Los más importantes son: vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2 ), metano (CH 4 ), monóxido de dinitrógeno (N2O), ozono (O3 ) y clorofluorcarbonos (CFC) [3]. La concentración de GHG a distintos niveles de altitud sobre la superficie es un parámetro importante para estudiar el complejo balance energético terrestre y el impacto que los mismos tienen sobre el calentamiento global. Es importante determinar la relación entre la concentración relativa de estos gases en la atmósfera y el denominado forzamiento radiativo [5], resultante del balance energético de absorción y emisión de energía en la Tierra, que terminan impactando de manera determinante en el acuciante del calentamiento global [6]. 

Por su parte, la liberación o introducción de ciertos materiales dañinos o peligrosos para los seres humanos o el medio ambiente en la atmósfera empeoran la calidad del aire a través de un complejo proceso conocido como polución atmosférica [7]. Estos contaminantes pueden ser de producción natural o antropogénica, y se presentan en forma de partículas en suspensión, aerosoles o gases. Entre los gases contaminantes de producción antropogénica, los más importantes son: monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx ), óxidos de azufre (SOx ), amoníaco (NH3 ), metano (CH4 ) y otros compuestos orgánicos que contribuyen al mal olor del aire, conocidos en general como VOC (Volatile Organic Compound, por sus siglas en inglés), y CFC. Numerosos estudios muestran una importante correlación entre la calidad del aire y los niveles locales de polución atmosférica y distintos problemas fisiológicos que derivan en enfermedades crónicas [8]. Esto se manifiesta en distintos niveles, como por ejemplo: carcinogénesis [9], problemas cardio-respiratorios [10, 11], y alergias [12]. 

Estos efectos tienen un impacto significativo en la calidad y expectativa de vida de la población [13], trayendo aparejado un incremento directo e importante en los costos de los sistemas de salud [14], y aumentando de manera preocupante las tasas de mortalidad en poblaciones con altos niveles de exposición a contaminantes atmosféricos [15]. Toda esta evidencia es concluyente: la Organización Mundial de la Salud reporta que aproximadamente siete millones de personas mueren prematuramente por causas relacionadas con la contaminación ambiental [16]. Esta compleja problemática relacionada con la calidad del aire y las concentraciones de GHG tiene impactos directos e indirectos sobre la ciudadanía, y comienzan a surgir proyectos orientados al monitorizado de la calidad del aire y otras variables atmosféricas de interés (Ver por ejemplo: kanarci.cz, www.smartcitizen.me). El desarrollo de tecnolog ́ıas de acceso masivo permite extender el alcance de las mediciones específicas en estos contextos, orientándose hacia la ubicuidad de monitores de concentraciones de gases, variables atmosféricas, y calidad del aire [17].

[1] Kshudiram Saha. The Earth’s Atmosphere. Springer, 2008.

[2] John M Wallace and Peter V Hobbs. Atmospheric science: an introductory survey, volume 92. Academic press, 2006.

[3] Thomas F Stocker, Dahe Qin, Gian-Kasper Plattner, M Tignor, Simon K Allen, Judith Boschung, Alexander Nauels, Yu Xia, Vincent Bex, and Pauline M Midgley. Climate change 2013: The physical science basis. Intergovernmental Panel on Climate Change, Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report (AR5)(Cambridge Univ Press, New York), 2013.

[4] Neil Alexis. Air pollution/allergens/air quality. In 2014 AAAAI Annual Meeting. Aaaai, 2014.

[5] J Hansen, Mki Sato, and R Ruedy. Radiative forcing and climate response. Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012), 102(D6):6831–6864, 1997..

[6] Piers Forster, Venkatachalam Ramaswamy, Paulo Artaxo, Terje Berntsen, Richard Betts, David W Fahey, James Haywood, Judith Lean, David C Lowe, Gunnar Myhre, et al. Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing. chapter 2. In Climate Change 2007. The Physical Science Basis. 2007.

[7] Daniel Vallero. Fundamentals of air pollution. Academic press, 2007.

[8] Lester B Lave and Eugene P Seskin. Air pollution and human health, volume 6. Routledge, 2013.

[9] Dana Loomis, Yann Grosse, Béatrice Lauby-Secretan, Fatiha El Ghissassi, Véronique Bouvard, Lamia Benbrahim-Tallaa, Neela Guha, Robert Baan, Heidi Mattock, and Kurt Straif. The carcinogenicity of outdoor air pollution. The Lancet Oncology, 14(13):1262-1263, 2013.

[10] Mark S Link, Heike Luttmann-Gibson, Joel Schwartz, Murray A Mittleman, Benjamin Wessler, Jennifer Nguyen, Diane R Gold, Douglas W Dockery, and Francine Laden. Acute exposure to air pollution triggers ventricular arrhythmias. In CIRCULATION, volume 128. LIPPINCOTT WILLIAMS & WILKINS 530 WALNUT ST, PHILADELPHIA, PA 19106-3621 USA, 2013.

[11] Gerard Hoek, Ranjini M Krishnan, Rob Beelen, Annette Peters, Bart Ostro, Bert Brunekreef, and Joel D Kaufman. Long-term air pollution exposure and cardio-respiratory mortality: a review. Environ Health, 12(1):43, 2013.

[12] Gennaro D’amato, Carlos E Baena-Cagnani, Lorenzo Cecchi, Isabella Annesi-Maesano, Carlos Nunes, Ignacio Ansotegui, Maria DAmato, Gennaro Liccardi, Matteo Sofia, Walter G Canonica, et al. Climate change, air pollution and extreme events leading to increasing prevalence of allergic respiratory diseases. Multidisciplinary respiratory medicine, 8(1):12, 2013.

[13] Yuyu Chen, Avraham Ebenstein, Michael Greenstone, and Hongbin Li. Evidence on the impact of sustained exposure to air pollution on life expectancy from china huai river policy. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(32):12936–12941, 2013.

[14] Shilpa Rao, Shonali Pachauri, Frank Dentener, Patrick Kinney, Zbigniew Klimont, Keywan Riahi, and Wolfgang Schoepp. Better air for better health: Forging synergies in policies for energy access, climate change and air pollution. Global Environmental Change, 23(5):1122–1130, 2013.

[15] Michael Jerrett, Richard T Burnett, Bernardo S Beckerman, Michelle C Turner, Daniel Krewski, George Thurston, Randall V Martin, Aaron van Donkelaar, Edward Hughes, Yuanli Shi, et al. Spatial analysis of air pollution and mortality in california. American journal of respiratory and critical care medicine, 188(5):593–599, 2013.

[16] World Health Organization. 7 million premature deaths annually linked to air pollution, 2014.

[17] Audrey de Nazelle, Edmund Seto, David Donaire-Gonzalez, Michelle Mendez, Jaume Matamala, Mark J Nieuwenhuijsen, and Michael Jerrett. Improving estimates of air pollution exposure through ubiquitous sensing technologies. Environmental Pollution, 176:92–99, 2013.

¿Qué buscamos?

Al finalizar esta unidad el lector podrá comprender:

• El significado de algunas variables meteorológicas
• Qué se entiende por cambio climático y cuál ha sido la evolución de la intervención humana en ese cambio
• Qué es hardware libre y cuál es su importancia para la apropiación tecnológica de la sociedad
• Cuál es la importancia que los datos estén disponibles (sean datos libres y abiertos a toda la comunidad) para su análisis desde varias perspectivas sociales

¿Qué leer o escuchar en la red?

A continuación presentamos algunos textos que redondean y extienden la idea de contaminación ambiental y cambio climático

• La muerte de los glaciares, un atentado contra el desarrollo de los países andinos entrevista de El País (España) a Daniel Mira-Salama
• Datos y cambio climático por Hernán Asorey, del Centro Atómico Bariloche (Argentina) y la Universidad Industrial de Santander (Colombia)
• Calidad de aire y contaminación atmosférica urbana, micro de Ciencia para Todos, con Richard Toro Araya, doctor en Química de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile
• Statistical Review of World Energy 2013, British Petroleum, BP.
• Fernández, Laura, y Marcos García. “Laboratorios de Innovación: prototipos colaborativos en la era digital.” Telos: Cuadernos de comunicación e innovación 88 (2011): 100-102.
• ¿Qué es el hardware libre? por Raúl Espinola
• Leer nuestra presentación sobre La calidad del aire y la ciudadanía

¿Qué hacer?

• De ejemplos cotidianos consecuencias del cambio climático
• Hacer un gráfico de la concentración de CO2 como función del tiempo para todo el registro.
• Considera que la humanidad será capaz de revertir la influencia que su actividad ha dejado. Discuta su respuesta.
• Cuál es la importancia del movimiento de tecnologías libres (hardware y Software). Razone su respuesta
• Contribuya con algunos enlaces adicionales para la sección de ¿qué leer y que escuchar en la red?

¿Necesita recursos adicionales?

Para realizar las actividades propuestas el lector puede necesitar:

• Descargar los datos disponibles en la red o acceder a los datos de concentración de CO2, que hemos dispuesto para facilitar esa tarea
• Refrescar algunos conceptos elementales de estadística como  el valor medio y el desvío muestral. Para ello puede consultar la información disponible en la red o el módulo de elementos de estadística de este cursillo
• Utilizar una hoja de cálculo para realizar los cómputos estadístico o utilizar herramientas de programación en Python tal y como las hemos descrito en el módulo de programación. Para el cálculo en Python puede hacer uso de un módulo pre-escrito estadistica.py.

 ¿Qué dedicación requiere este módulo?

Como el resto de los módulos de este cursillo, completar las actividades puede requerir entre 4 y 6 horas de dedicación, la mitad de las cuales son trabajo independiente previo a la discusión en el taller de 2h acompañados por los instructores.

Agradecemos

La realización de este módulo ha sido posible gracias al financiamiento del Fondo Regional para la Innovación Digital en América Latina y el Caribe, FRIDA y la Vicerrectoría de Investigación y Extensión de la Universidad Industrial de Santander.