¿El agua de lluvia es ácida? Y si es así, ¿cuál es su nivel de acidez?

Tenemos tendencia a pensar que el agua de lluvia es pura, es decir, solo agua. Existe incluso la creencia que no debemos beberla, por ser demasiado pura. Pero eso no es cierto. No sólo muestra un pequeño contenido en sales, sino que el agua de lluvia no es neutra, en el sentido de su acidez (podéis consultar una sencilla descripción de la acidez aquí).

Unos cuantos datos nos permitirán precisar mejor de qué hablamos. Por ejemplo, en la población de Birkenes, al sur de Noruega, se han medido valores de pH alrededor de 4,2, mientras que en la metrópolis china de Guiyang, este mismo valor llega a 3,95. En general, valores inferiores a 5 se obtienen en muy diversas localizaciones. En cambio, en la región de Pune, en el estado indio de Maharashtra, el pH llega a unos sorprendentes 7,4, es decir, ligeramente básica.

La acidez natural de la lluvia
 
Los anteriores valores nos indican algo que quizá no es muy conocido, que la lluvia es ácida prácticamente siempre. La razón es que al producirse la precipitación, las gotas de agua “barren” el aire en su recorrido, y capturan diferentes gases, así como pequeñas partículas de polvo en suspensión.
 
Entre los gases se encuentra el dióxido de carbono, CO2, así como el dióxido de azufre, SO2, y diferentes óxidos de nitrógeno, que se designan genéricamente como NOx. Estos gases tienen la propiedad de generar acidez, una vez se disuelven en el agua de la gota.
 
Por otro lado, las partículas de polvo pueden ser muy diversas, pero destacan principalmente la sal común, cloruro sódico, así como composiciones minerales, como la sílice y el carbonato cálcico.
 
Esta diversidad de componentes puede provenir de fuentes naturales. Cuando es así, conforma la acidez natural de la lluvia, y da lugar a un pH algo inferior a 5,5.
 
Más específicamente, la acidez natural se debe a contribuciones constantes del CO2, por causa de la respiración de los seres vivos, y del SO2 y NOx de origen bacteriano. Esporádicamente la acidez natural puede ser más elevada, allí donde suceden tormentas o, mucho más esporádicamente, allí donde suceden erupciones volcánicas.
 
El relámpago del Catatumbo
 
Las fuentes de NOx son principalmente los microorganismos y los relámpagos. Este último caso es interesante. Si contamos la totalidad de nuestro planeta, cada segundo caen 40 rayos, lo que significa más de 3 millones de descargas al día.
 
Existe un paraje en el planeta en el que las tormentas con aparato eléctrico son su elemento más característico. Se trata de la región al sur del lago Maracaibo, en Venezuela. Rodeado al este, sur y oeste por cordilleras, recibe un aporte diario de masas de aire húmedo procedentes del Caribe. Al llegar al límite sur del lago, donde confluye el río Catatumbo, la masa de aire queda bloqueada por las cordilleras, generando nubes de tormenta casi a diario. Son más de doscientos días al año de tormenta nocturna, produciendo miles de rayos en cada tormenta. Un espectáculo.
 
Una imagen de los relampagos que, practicamente con frecuencia diaria, se forman en la confluencia del rio Catatumbo con el lago Maracaibo, en Venezuela
 
En cada rayo, la descarga eléctrica eleva la temperatura de su interior, de apenas 1 cm de grosor, hasta los 30.000 grados. Semejante valor tiene la capacidad de, literalmente, romper el aire. Las moléculas constituyentes, principalmente nitrógeno y oxígeno, se rompen por la mitad, y se separan en átomos individuales, altamente reactivos.
 
El resultado es la producción de substancias exóticas. Una de ellas, ozono, de forma que la confluencia del Catatumbo con el Maracaibo genera la mayor planta productora natural del planeta. Otra, óxidos de nitrógeno, que con la precipitación que acompaña la tormenta, generan una lluvia algo más ácida que la habitual. Tampoco es demasiado ácida, puesto que los relámpagos no llegan a cubrir suficiente volumen de aire, como para que la producción de los óxidos ácidos sea importante. Los mapas de lluvia ácida indican así que la región noroeste de Venezuela muestra una ligera acidez, comparado con las regiones limítrofes.
 
Ya que estamos con los relámpagos, os muestro una filmación reciente, realizada con tecnología de alta velocidad, que muestra el progreso de un rayo a cámara super lenta. El hecho más destacable es la errática trayectoria que sigue. Literalmente, el rayo “prueba” diferentes direcciones, hasta que progresa hacia el suelo. En cuanto hace contacto, la vía de descarga queda disponible y es cuando se produce la máxima iluminación.
 
 
Lluvia ácida de las erupciones volcánicas
 
Centrémonos ahora en los óxidos de azufre, la otra fuente importante de acidez en la lluvia. Las fuentes naturales y directas de SO2 son las erupciones volcánicas. En cambio, las bacterias son fuentes indirectas de SO2, puesto que la mayoría son productoras de sulfuro de dimetilo, una substancia que, una vez emitida, en contacto con el oxígeno del aire es gradualmente oxidada a SO2.
 
Las cenizas volcánicas se forman, durante una erupción, por la trituración de la roca magmática. Ésta tiene lugar por la acción de los gases y el vapor de agua de la propia erupción. Los gases ácidos que se encuentran en las erupciones son CO2 y SO2, así como, en menor cantidad, el ácido fluorhídrico, HF, y el ácido clorhídrico, HCl. No obstante, el pH de los residuos de polvo sólidos, que conforman las cenizas, es muy variable. Depende de la cantidad de residuos ácidos que se adsorben sobre ellas.
 

Una imagen de la Estación Espacial Internacional de la emision de cenizas en la erupción de Mount Cleveland, en Alaska, el 23 de Mayo de 2006.

¿La aurora boreal, fuente de lluvia ácida?

Las tormentas solares provienen de eyecciones de masa solar coronaria, que proyectan al espacio miles de millones de toneladas de partículas subatómicas, a velocidades de millones de kilómetros por hora. Este inmenso flujo de partículas es capturado por el campo magnético de la Tierra, y dirigido hacia los polos, siendo el causante de las impresionantes auroras boreales, uno de los espectáculos celestes más sobrecogedores.

Las auroras boreales, como tales, se generan por la luz desprendida cuando las partículas que componen la tormenta solar colisionan contra el nitrógeno y el oxígeno de la alta atmósfera, en la estratosfera. En concreto, la luz verde y azul la causa el oxígeno, mientras que el verde y el rojo son causa del nitrógeno.

Estos choques son tan violentos que también rompen las moléculas del aire, como sucede con los rayos, por lo que la aurora boreal es capaz de generar óxidos de nitrógeno y, eventualmente, su pequeña cuota de lluvia ácida, una vez que el óxido de nitrógeno, al mezclarse con agua, genere ácido nítrico. Se estima que un 1 % de la lluvia ácida se origina a través de estos fenómenos estratosféricos.

La acidez debido a la actividad humana

La estimación del total de emisiones, tanto de substancias gaseosas como de aerosoles, no es tarea fácil. Los cálculos más recientes indican que se emiten, anualmente, unos 47 millones de toneladas de óxidos de nitrógeno, de los cuales 15 provienen de fuentes naturales, y 32 de la actividad humana. Por otro lado, se emiten unos 291 millones de toneladas de compuestos de azufre, de los que 191 son de fuentes naturales, y unos 100 millones como consecuencia de la actividad humana.

La conclusión es que la contribución de la actividad humana es muy significante, aproximadamente un 40 % del total de emisiones. Semejante perturbación requiere, por tanto, de actuaciones coordinadas. Éstas, a su vez, deben basarse en un conocimiento preciso de su origen.

¿Cómo se origina la lluvia ácida, debido a la actividad humana?

Las centrales energéticas, y los motores de combustión, emiten, además de vapor de agua y CO2, SO2 y NOx. Los tres últimos, como ya hemos mencionado, son gases ácidos, es decir, que disminuyen el pH cuando se disuelven en agua.

Quizá sorprenderá que se emita dióxido de azufre, sabiendo que las centrales queman combustibles fósiles, es decir, carbón, petróleo o gas natural. ¿Qué pinta ahí el azufre? Este elemento es un contaminante del carbón o del petróleo, es decir, se encuentra en cantidades respetables en los respectivos yacimientos. Por lo tanto, quemar carbón es equivalente a quemar ciertas cantidades de azufre.

Una vez emitidos los gases, las microgotas troposféricas de las nubes los disuelven, y cuando llueve se precipitan sobre las masas boscosas a sotavento de los focos de emisión.

Esquema que muestra la producción de lluvia ácida, debido a la actividad de las centrales térmicas de producción de electricidad.

Efectos de la lluvia ácida
 
A nivel práctico, ¿qué efectos tiene el incremento de acidez de la lluvia? Sin entrar demasiado en detalles, los principales efectos son los siguientes:
 
  • muchos animales no pueden sobrevivir en pH demasiado ácidos. Por ejemplo, las truchas, salamandras o sapos podrían encontrarse ya en condiciones críticas de supervivencia, a los pH más ácidos de ciertas regiones;
  • ciertos microorganismos pueden desaparecer, al desnaturalizarse las proteínas que los constituyen;
  • también disminuye la concentración de muchos metales en los suelos fértiles: el pH más ácido los solubiliza y son lavados por la lluvia;
  • los océanos también se están acidificando. En este caso, la disminución del pH causa la redisolución de los caparazones calcáreos de los moluscos;
  • la propia actividad humana es origen y diana de la acidez de la lluvia: elimina pintura, provoca la corrosión del metal utilizado en construcciones, y también provoca la erosión de edificios y esculturas de piedra.
Implicaciones internacionales
 
La dispersión de contaminantes que se origina con la lluvia ácida es un problema internacional, puesto que la circulación de las masas de aire no entiende de fronteras. Recordemos, en este sentido, la angustia que provocó el escape radioactivo tras la explosión del reactor nuclear en Chernobil, Ucrania, en 1986.
 
Por ello, la lluvia ácida es un problema transnacional, y requiere actuar coordinadamente para solucionarlo. En este sentido, la evolución del problema en las últimas décadas muestra que, de momento, sólo se ha trasladado. Las necesidades energéticas de las sociedades en vías de desarrollo han impedido implementar las medidas de limpieza de los combustibles fósiles, que en cambio sí que funcionan en las sociedades occidentales.
 
¿Cómo se evita la lluvia ácida?
 
La forma principal de corregir el problema de la lluvia ácida es evitar la emisión del gas más abundante, el SO2. Para ello, se pueden utilizar dos estrategias:
 
  • Capturar el gas de escape, en la chimenea, gracias a que el gas se fuerza a pasar a través de un soporte básico, típicamente de polvo calcáreo o de óxido de calcio. Las instalaciones resultantes se identifican mediante las siglas FGD, acrónimo del término inglés “Flue Gas Desulfurization”. En 1973 había tan sólo 43 instalaciones en dos países (Japón y EE.UU.), mientras que en 2000 ya se disponía de 678 instalaciones en 27 países. Se utilizan principalmente en centrales térmicas donde se quema carbón.
  • Capturar el azufre del combustible antes de ser quemado. Ello es posible tratando el combustible mediante el gas hidrógeno, a presiones y temperaturas elevadas, y usando catalizadores metálicos.  El proceso fue desarrollado por el químico francés Paul Sabatier, a finales del siglo XIX. Este tratamiento, conocido como “hidrodesulfurización”, HDS, elimina el azufre del petróleo o del gas natural, produciendo, en diversas etapas, ácido sulfúrico. De hecho, la mayor parte de los 64 millones de toneladas de este compuesto, que se fabrican anualmente, se obtienen mediante HDS.
La lluvia ácida, hoy
 
A pesar de los mandatos internacionales, la corrección del problema de la lluvia ácida requiere de una importante inversión tecnológica. Este hecho provoca que la implementación de las soluciones no sea homogénea.
 
Evolución de las emisiones de SO2, en millones de toneladas, en función del tiempo, para las tres regiones de mayor actividad
 
Como prueba de ello, la tabla siguiente muestra la evolución con el tiempo de las emisiones, por zonas geográficas.
 
Se observa como el incremento asiático contrarresta la disminución conjunta de Europa y EE.UU. La tabla anterior nos indica, entonces, que el problema de la lluvia ácida está experimentando un fuerte cambio, en cuanto a su localización geográfica.
 
Revisemos el tema con más detalle, a partir de cómo la distribución de acidez ha cambiado con los años, en las diferentes regiones del planeta más industrializadas.
 
Comparación, entre 1990 y 2010, de la lluvia ácida recogida en Europa
 
En este primer gráfico vemos cómo la situación en Europa ha cambiado drásticamente. Hacia 1990, prácticamente la totalidad de Europa Central se encontraba bajo los efectos de los pH más ácidos. En cambio, hacia 2010 estos valores más ácidos se concentran al este de Europa.
 
Distribución de la lluvia ácida en USA, en 1996
Distribución de la lluvia ácida en USA, en 2009.
 
En Norteamérica la evolución es parecida a la europea. La región del noreste concentraba los pH más ácidos, por debajo de 4,5, a principios de los noventa. En cambio, en 2009 son muy escasos los lugares donde el pH es ahora menor de 5,0.
 
El caso de China es tremendamente paradigmático. Es el país que más ha incrementado sus emisiones, como consecuencia de su rapidísima industrialización, articulada en poco más de 30 años. Sin embargo, las emisiones de gases y la precipitación de estos no coinciden plenamente, debido al movimiento de las masas de aire.
 
Distribución de lluvia ácida en China, en 2009.
 
Quizás el ejemplo más representativo lo proporciona la conurbación de Chongqing, una aglomeración de 30 millones de habitantes, la mayor ciudad del interior de China. Capital provisional de la nación durante la Segunda Guerra Mundial, es una ciudad dominada por la niebla y una de las diez ciudades más contaminadas del mundo. La emisión de las centrales térmicas contribuye a que la visibilidad en la mayoría de los días no llegue a los quinientos metros, y que la pintura de los automóviles brille por su ausencia, debido a la acidez de la lluvia. 
 
Es de suponer que, con el tiempo, la implementación de las soluciones tecnológicas permitirán suavizar el impacto de la lluvia ácida, a nivel global.

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Xavier Giménez Font
Xavier Giménez Font

Profesor titular del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física, y miembro del Instituto de Quimica Teórica y Computacional, Universidad de Barcelona. Docente en química ambiental y química física de materiales, e investigador en simulación computacional de reacciones químicas con aplicación a I+D, y en innovación docente.  Divulgador científico, autor del libro El aire que respiramos (UB Edicions, 2018). 

Sobre este blog

La química de nuestro entorno desde una perspectiva global, que incluye su relación con las demás ramas de la ciencia, la tecnología, e incluso las disciplinas humanísticas. También se harán pequeñas incursiones en el mundo de la educación universitaria. Siempre al alcance de todos. Verás que la química es compleja, su mundo también, pero no tanto como pudiera parecer...

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