Exercicis: La contaminació de les capes fluides

Distingeix entre contaminant primari i contaminant secundari, i posa un exemple de cadascun a l'atmòsfera.

L'esquema resumeix el procés de la pluja àcida. Identifica els gasos marcats com a 1 i 2 que l'originen, explica com es forma a partir d'aquests i descriu els seus efectes sobre les roques calcàries i els ecosistemes aquàtics.

Cita tres fonts de contaminació de les aigües continentals i classifica-les en puntuals o difuses.

Què és l'esmog i quines diferències hi ha entre l'esmog clàssic, lligat al carbó i a la boira, i l'esmog fotoquímic de les grans ciutats actuals?

Cita tres efectes de la contaminació atmosfèrica sobre la salut humana i associa a cadascun un contaminant responsable.

Què és l'eutrofització d'un llac o d'un estuari i quins nutrients la desencadenen?

Què són els metalls pesants, com el plom, el mercuri o el cadmi, i per què preocupen encara que s'aboquin en concentracions baixes? Considera la seva persistència i la seva bioacumulació.

Quina funció fa la capa d'ozó estratosfèrica i quins gasos artificials la van destruir? Quin acord internacional els va prohibir?

L'ozó troposfèric és un contaminant secundari que es forma per reaccions fotoquímiques entre els òxids de nitrogen ($\text{NO}_x$) i els compostos orgànics volàtils. Explica per què els seus màxims es registren a l'estiu i a sotavent de les grans ciutats.

La demanda bioquímica d'oxigen (DBO) mesura la matèria orgànica present a l'aigua. Un abocament de purins eleva bruscament la DBO d'un riu: descriu la cadena d'efectes sobre l'oxigen dissolt i sobre la vida aquàtica.

Els nitrats d'origen agrícola contaminen nombrosos aqüífers espanyols. Explica per què la contaminació difusa és més difícil de controlar que un abocament industrial puntual i proposa dues mesures de gestió.

Què és la petjada de carboni i quins gasos d'efecte hivernacle, a més del $\text{CO}_2$, comptabilitza? Posa un exemple d'activitat quotidiana amb petjada alta i un altre amb petjada baixa.

La pluja àcida d'Escandinàvia procedia en part d'emissions d'altres països europeus. Explica el transport a llarga distància dels contaminants atmosfèrics i les seves implicacions per a la cooperació internacional.

Compara els tractaments primari, secundari i terciari d'una depuradora: què elimina cadascun (sòlids, matèria orgànica, nutrients) i quina qualitat d'aigua s'obté després de cada fase.

Què és la biomagnificació? Traça la concentració de mercuri al llarg d'una cadena tròfica marina (fitoplàncton, peixos petits, tonyina, ésser humà) i explica el seu risc.

Pots fer-ho en paper i enviar una foto amb la teva resposta.

Què mesuren els índexs de qualitat de l'aire i com s'utilitzen els seus llindars d'alerta? Explica quines actuacions s'activen en una ciutat quan se superen (limitació del trànsit, avisos a la població sensible).

Un article de divulgació afirma: «Atès que el vapor d'aigua representa més del 60 % de l'efecte d'hivernacle natural, les emissions antròpiques de $\text{CO}_2$ i $\text{CH}_4$ no tenen rellevància geoclimàtica; a més, el metà es degrada en poc més d'una dècada, per la qual cosa el seu control no és prioritari».

1. a) Rebat aquest argument justificant per què el vapor d'aigua actua com una retroalimentació interna del sistema climàtic i no com un forçament radiatiu inicial, a diferència del $\text{CO}_2$.
2. b) Compara el potencial d'escalfament global (PEG) i el temps mitjà de residència a l'atmosfera del $\text{CH}_4$ i del $\text{CO}_2$. Prediu les conseqüències climàtiques a curt termini (20 anys) enfront del llarg termini (100 anys) si es prioritzés exclusivament la mitigació del metà.
3. c) Selecciona una conseqüència geològica observable en l'actualitat lligada a l'ascens tèrmic global (a la criosfera o a la dinàmica litoral), explica el seu mecanisme físic i assenyala quin indicador de camp permet mesurar-la.

En una conca intramuntana on s'assenta una ciutat industrial, es registren les següents dades de temperatura de l'aire a les 07:00 h en un dia serè d'hivern:

• Nivell del terra (600 m): 1,0 °C

• 800 m: -1,0 °C

• 1 000 m: 6,0 °C

• 1 300 m: 3,5 °C

• 1 600 m: 0,5 °C

Una xemeneia industrial situada a 600 m emet fums a 1 050 m d'altitud amb una temperatura de sortida de 4,0 °C.

1. a) Identifica el tram altitudinal exacte on hi ha inversió tèrmica, calcula el gradient tèrmic vertical en aquest interval i explica el mecanisme meteorològic i topogràfic que l'ha generat durant la nit.
2. b) Prediu raonadament el comportament dinàmic del plomall emès a 1 050 m: ascendirà lliurement, descendirà cap al fons de la vall o quedarà atrapat en flotació neutra? Justifica-ho comparant la densitat i temperatura del plomall amb les de l'aire circumdant.
3. c) Si a partir de migdia la insolació eleva la temperatura del terra a 12,0 °C, prediu què passarà amb l'estructura vertical de l'atmosfera i com evolucionarà la concentració de contaminants a nivell de carrer durant la ruptura de la inversió.

S'han trobat concentracions elevades de microfibres sintètiques (polièster, densitat mitjana $\approx 1,38\text{ g/cm}^3$) tant en sediments de fosses oceàniques ultraprofundes (> 8 000 m) com flotant a la pel·lícula superficial marina (microlayer).

1. a) Resol l'aparent paradoxa física: si el polièster és sensiblement més dens que l'aigua de mar superficial ($\approx 1,025\text{ g/cm}^3$), quins processos hidrodinàmics i biològics (com la tensió superficial, el biofouling i la «neu marina») expliquen tant la seva flotabilitat inicial prolongada com el seu transport accelerat cap als fons abissals?
2. b) Si una estació depuradora d'aigües residuals (EDAR) convencional reté en els seus fangs primaris i secundaris fins al 95 % d'aquestes microfibres procedents del rentat tèxtil, justifica per què això no soluciona el problema ambiental si aquests fangs es reutilitzen com a fertilitzant agrícola.
3. c) Dissenya dues barreres preventives o correctores viables: una de tecnològica aplicable en el cicle hidrològic urbà i una altra a nivell de ciència de materials tèxtils, avaluant les seves possibles limitacions tècniques.

Considera el sistema d'equilibri del carboni inorgànic en aigua de mar:

(1) $\text{CO}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons \text{CO}_2\text{ (aq)}$

(2) $\text{CO}_2\text{ (aq)} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$

(3) $\text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^-$

(4) $\text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-} \rightleftharpoons \text{CaCO}_3\text{ (s)}$

1. a) Si la crema de combustibles fòssils injecta $\text{CO}_2$ massivament a l'atmosfera, aplica el principi de Le Chatelier per predir com es desplaça cada equilibri. Justifica per què disminueix la concentració de l'ió carbonat ($\text{CO}_3^{2-}$), malgrat que la quantitat total de carboni dissolt a l'oceà augmenta.
2. b) Relaciona la reducció de $\text{CO}_3^{2-}$ amb el producte de solubilitat del carbonat càlcic i l'estat de saturació ($\Omega$) de la calcita i l'aragonita. Prediu les conseqüències per a la profunditat de compensació de la calcita (CCD) i per a la preservació dels fòssils i closques bentòniques.
3. c) Per combatre aquest problema, s'ha proposat la geoenginyeria de «meteorització accelerada» mitjançant l'abocament controlat de minerals bàsics (com olivina finament mòlta) en zones costaneres. Justifica geoquímicament el seu fonament i assenyala dos riscos ecològics associats.

Després d'un episodi de pluges torrencials associades a una DANA en una conca agrícola, entren en una llacuna costanera somera milions de metres cúbics d'aigua dolça carregada de nitrats i fosfats. Al cap de tres setmanes es registra una caiguda de l'oxigen dissolt al fons fins a 0,1 mg/L, amb anòxia gairebé total i mortaldat massiva de peixos i bivalves, mentre que en els primers 30 cm de la columna d'aigua l'oxigen se situa en 8,0 mg/L.

1. a) Justifica la formació d'una picnoclina (gradient combinat de salinitat i temperatura) després de l'avinguda torrencial i explica físicament per què impedeix la reoxigenació dels fons per difusió atmosfèrica o barreja mecànica per vent moderat.
2. b) Descriu la cascada biogeoquímica que desencadena la proliferació i posterior col·lapse de fitoplàncton, detallant la degradació bacteriana de la biomassa al fons i l'alliberament massiu de fòsfor des dels sediments en condicions d'anòxia (bucle de retroalimentació positiva).
3. c) Avalua de manera crítica dues intervencions alternatives: eixamplar i dragar els canals de connexió amb el mar obert enfront de construir un cinturó perimetral d'aiguamolls artificials i bioreactors d'estelles de fusta per tractar l'aigua freàtica i d'escorrentia. Justifica quina és ambientalment sostenible i quina podria alterar irreversiblement la naturalesa ecològica de la llacuna.

En els models de balanç global de carboni s'assumeix que els oceans i les masses forestals continuaran absorbint al voltant del 50 % de les emissions antropogèniques netes. Tanmateix, diversos biogeoquímics adverteixen de la inestabilitat d'aquests embornals davant del canvi global.

1. a) Utilitzant la llei de Henry i els canvis en l'estratificació oceànica, prediu com afectaran l'escalfament tèrmic superficial i l'alentiment de la circulació termohalina (AMOC) a la bomba de solubilitat i a la bomba biològica marina.
2. b) En els ecosistemes forestals boreals i temperats, analitza com interactuen l'augment de les temperatures estivals i l'estrès hídric sobre el quocient entre fotosíntesi neta i respiració heteròtrofa edàfica. Sota quines circumstàncies un bosc madur pot transformar-se d'embornal a font neta de $\text{CO}_2$?
3. c) Una companyia aèria comercial ofereix bitllets «neutres en carboni» invertint part del passatge en plantacions monoespecífiques d'arbres de creixement ràpid en zones de pastura. Demostra l'asimetria geològica i temporal d'aquesta compensació, rebatent que un dipòsit biològic làbil equivalgui al confinament geològic permanent dels combustibles fòssils extrets.

Una central tèrmica convencional aboca la seva aigua de refrigeració a un riu el cabal d'estiatge del qual és de 15,0 m³/s. L'abocament incrementa la temperatura mitjana del tram receptor de 18,0 °C a 28,0 °C. Aigües amunt de l'abocament, el riu rep a més l'efluent secundari d'una depuradora urbana amb una DBO₅ residual de 20,0 mg/L.

1. a) Explica l'impacte letal conjunt sobre la ictiofauna autòctona mitjançant dos factors contraposats: la termodinàmica del gas dissolt (corba de saturació d'$\text{O}_2$ en aigua) i la llei metabòlica del $Q_{10}$ (segons la qual el metabolisme basal i la demanda d'oxigen dels organismes poiquiloterms es duplica per cada 10 °C d'increment tèrmic).
2. b) Dibuixa mentalment o descriu de manera raonada la corba de caiguda i recuperació d'oxigen dissolt (corba de Streeter-Phelps) aigües avall de l'abocament tèrmic en comparació amb la que s'observaria a 18,0 °C. Especifica què passa amb la velocitat de degradació biològica de la matèria orgànica i amb la posició del punt crític de dèficit d'oxigen.
3. c) Compara tècnicament i ambientalment dues mesures mitigadores a la central: instal·lar torres de refrigeració de circuit tancat evaporatiu enfront de construir basses somes de retenció i refredament natural previ a l'abocament fluvial. Avalua el consum consuntiu d'aigua i l'impacte en el microclima local de totes dues.

Els contaminants orgànics persistents (COP), com l'hexaclorobenzè (HCB) i els bifenils policlorats (PCB), mostren concentracions mil vegades més altes en el teixit adipós d'óssos polars i cetacis àrtics que en el fitoplàncton dels mars polars, malgrat que en aquestes latituds no existeixen fonts industrials que els emetin.

1. a) Explica el procés de destil·lació global fraccionada («efecte saltamartí»): justifica com les variacions latitudinals de temperatura, juntament amb la pressió de vapor i la hidrofobicitat de cada substància, determinen quins contaminants arriben a les zones polars i quins es dipositen en latituds temperades.
2. b) Justifica a través de les propietats fisicoquímiques del compost (en particular el coeficient de repartiment octanol-aigua, $\log K_{ow} > 5$) i l'estructura de les cadenes tròfiques àrtiques per què aquests compostos es biomagnifiquen de manera tan acusada en els nivells tròfics superiors, diferenciant clarament biomagnificació de bioconcentració.
3. c) En les darreres dècades s'ha constatat que el desglaç del permafrost i la reducció de la banquisa àrtica estival estan provocant augments locals de concentració de DDT i lindà a l'aigua superficial polar, dècades després de la seva prohibició pel Conveni d'Estocolm. Planteja dues hipòtesis geoquímiques que expliquin com l'escalfament global converteix els reservoris criosfèrics àrtics d'embornals secundaris en noves fonts actives de COP.

Repte del tema. Diagnòstic ambiental d'un episodi de dispersió atmosfèrica i hidrològica.

Imagina que assessores el departament de medi ambient del teu municipi. Analitza com la dinàmica atmosfèrica recent ha condicionat la qualitat de l'aire i de l'aigua en el teu entorn:

1. Captura de dades: Consulta a l'AEMET i al visor de qualitat de l'aire del MITECO els registres de la teva estació més propera dels últims 5 dies: pressió superficial ($hPa$), velocitat del vent ($m/s$), precipitació ($mm$) i nivells de $PM_{10}$ o $NO_2$ ($\mu g/m^3$).

2. Dinàmica i dispersió: Elabora una taula comparativa i raona si el predomini anticiclònic o una inversió tèrmica a la troposfera ha afavorit el confinament de contaminants enfront de situacions ciclòniques de més barreja convectiva.

3. Interacció amb la hidrosfera: Avalua com el rentat atmosfèric per precipitacions (amb possible $pH < 5,6$) o l'escorriment urbà transfereix aquesta càrrega contaminant a un riu o aqüífer proper, alterant paràmetres com la terbolesa o l'oxigen dissolt.

4. Proposta d'acció: Dissenya un informe executiu d'una pàgina amb dues mesures de contingència basades en la predicció meteorològica per mitigar pics d'emissió.

Es valorarà:

• Precisió conceptual en integrar la dinàmica troposfèrica amb el transport de contaminants.

• Coherència en l'explicació de la transferència de massa entre atmosfera i hidrosfera.

• Ús rigorós i tractament gràfic de les dades oficials obtingudes.