10.12: Capital Natural de la Atmósfera

Como se discute en la Sección 1.4, el capital natural de la Tierra es su capacidad para proporcionar materiales, protección y condiciones propicias para la vida incluyendo los recursos de la Tierra y sus ecosistemas. Una gran fracción del capital natural de la Tierra se encuentra en la atmósfera e incluye materiales, capacidad de asimilación de residuos y estética, determinando en gran medida el grado en que nuestro entorno es agradable y propicio para nuestra existencia. En esta sección se discute el capital natural de la atmósfera.

Gran parte del capital natural de la atmósfera es su capacidad para absorber y proteger a los organismos de la radiación ultravioleta destructiva y otras radiaciones cósmicas y solares electromagnéticas de corta longitud de onda que de otro modo harían imposible la vida en la Tierra La absorción de radiación infrarroja de longitud de onda más larga mediante la cual la energía solar entrante es enviada de vuelta al espacio conduce a la segunda función protectora principal de la atmósfera, su capacidad para mantener la temperatura superficial a un nivel en el que la vida puede prosperar (ver Figura 10.3).

La atmósfera es fuente de materias primas esenciales, tanto para organismos como para uso industrial y tiene importantes aplicaciones en la práctica de la química verde. Las plantas que proporcionan la base de las cadenas alimentarias dentro de las cuales prosperan todos los organismos extraen el dióxido de carbono que utilizan para construir biomasa de la atmósfera. Los animales y otros organismos que realizan respiración óxica obtienen de la atmósfera el O ₂ molecular que requieren. El N ₂ refractario en la atmósfera es convertido en biomasa y nitrógeno proteico por bacterias que crecen en suelo y agua.

Los humanos también extraen gases de la atmósfera para su uso en la antrosfera. Los procesos de adsorción, membrana permeable y destilación de aire licuado se utilizan para aislar nitrógeno, oxígeno, argón y neón del aire para su uso en la antrosfera. El nitrógeno extraído del aire se convierte primero en amoníaco, NH ₃, luego en productos químicos industriales, fertilizantes y explosivos. Hervir a 196° C frigido-196° C, el nitrógeno líquido puro es el líquido criogénico más utilizado. Entre sus muchos usos se encuentran preservar embriones humanos viables para la implantación de embriones para producir “bebés con tubo de ensayo”. Como gas generalmente no reactivo, se utiliza nitrógeno puro como atmósfera inerte que evita incendios y otras reacciones químicas. Normalmente extraído del aire junto con nitrógeno puro, el oxígeno puro tiene muchas aplicaciones industriales, como en la fabricación de acero, y es utilizado para respirar por personas con dificultades respiratorias. El argón de gas noble de la atmósfera es totalmente inerte químicamente y se utiliza industrialmente, como en procesos de soldadura especializados.

Oxígeno Verde y Nitrógeno del Aire

El oxígeno elemental y el nitrógeno son importantes productos comerciales extraídos del aire. La mayoría de las veces esto se hace destilando aire líquido frío, un proceso que también puede producir gas noble neón, argón y kriptón, si se desea. El paso inicial en la destilación del aire es comprimir el aire a aproximadamente 7 veces la presión atmosférica y enfriarlo para eliminar el vapor de agua y el dióxido de carbono. La compresión y enfriamiento adicionales producen un producto de aire líquido que luego se puede destilar fraccionalmente para dar oxígeno, nitrógeno y otros gases relativamente puros. Estos se pueden almacenar como líquidos fríos o como los gases comprimidos.

El oxígeno esencialmente puro tiene una serie de aplicaciones, como para respirar por personas con insuficiencias pulmonares. Se consumen enormes cantidades en la fabricación de acero. El nitrógeno puro se utiliza para proporcionar atmósferas inertes libres de oxígeno. Grandes cantidades de nitrógeno líquido se utilizan en la ciencia de la criogenia involucrando temperaturas muy bajas.

Oxígeno de Emergencia

Se requiere oxígeno de emergencia en aviones que vuelan a gran altura. Los contenedores requeridos para transportar oxígeno puro son demasiado pesados para colocarlos en aviones, por lo que el oxígeno de emergencia es generado por un proceso químico usando una vela de clorato. Este dispositivo contiene clorato de sodio, NaClO ₃, que se descompone cuando se calienta para generar oxígeno gaseoso:

\[\ce{2NaClO3 \rightarrow 2NaCl + 3O2}\]

Parte del oxígeno generado reacciona con un combustible, comúnmente hierro elemental, mezclado con el clorato de sodio,

\[\ce{4Fe + 3O2 \rightarrow 2Fe2O3}\]

una reacción generadora de calor que proporciona calor para la descomposición del clorato de sodio. Las velas de clorato se pueden almacenar durante muchos años antes de activarse y aún así funcionan bien. Generalmente son seguros. No obstante, las velas de clorato enviadas indebidamente en el compartimiento de equipajes de un avión ValuJet DC-9 provocaron un incendio incontrolable que derribó el avión en los Everglades de Florida con la pérdida de todos a bordo en 1997.

Como se ilustra en la Figura 8.1, la atmósfera es el conducto por el cual el agua se evapora de los océanos y se transporta sobre la tierra donde cae como precipitación. Esta capacidad de la atmósfera es un componente importante de su capital natural y las condiciones atmosféricas determinan en gran medida la cantidad, calidad y distribución del agua a través del ciclo hidrológico. Debido a las variaciones en las condiciones atmosféricas, la distribución de las precipitaciones es irregular, con excesos en algunos lugares y tiempos y deficiencias en otros. Las condiciones calurosas de sequía que causan grandes penurias e incluso inanición, sobre todo en partes de África, son el resultado de las condiciones climáticas en la atmósfera. El dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno emitidos a la atmósfera como contaminantes del aire producen ácido sulfúrico y ácido nítrico, respectivamente, contaminando la hidrosfera con ácidos fuertes, matando alevines de peces y dañando la vegetación.

Su capacidad para asimilar y procesar materiales es una parte importante del capital natural de la atmósfera y un componente crucial de los ciclos naturales de la naturaleza. La transpiración del agua de las hojas de las plantas es una ruta importante para transportar el agua del suelo a la atmósfera. La respiración óxica de humanos y otros organismos descarga dióxido de carbono a la atmósfera al igual que los incendios forestales y los procesos de combustión antrosférica. El oxígeno elemental producido fotosintéticamente ingresa a la atmósfera. El polen y pequeñas partículas como el humo o los humos producidos por procesos antrosféricos ingresan a la atmósfera y son lavados con lluvia o depositados en la superficie de la Tierra. Los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno de la combustión son finalmente purgados de la atmósfera, a menudo con la formación intermedia de oxidantes, aldehídos y partículas características de la contaminación fotoquímica por smog.

La contribución de la atmósfera a la estética es una faceta importante de su capital natural. El aire limpio y claro, libre de partículas que oscurecen la visibilidad, gases ácidos y ozono que dificulta la respiración e irrita los ojos tiene un valor genuino incluyendo su contribución a la buena salud. Mientras que el agua que usan los humanos puede purificarse de fuentes fangosas, incluso contaminadas, el aire que se usa para respirar generalmente debe tomarse tal como viene. El aire húmedo y brumoso contaminado por componentes ácidos y partículas es desagradable e incluso poco saludable para respirar, ya que el aire se calienta y se seca a niveles incómodos por las emisiones de gases de efecto invernadero.