La contaminación térmica , a veces llamada " enriquecimiento térmico ", es la degradación de la calidad del agua por cualquier proceso que cambie la temperatura ambiente del agua . La contaminación térmica es el aumento o descenso de la temperatura de un cuerpo de agua natural provocado por la influencia humana . La contaminación térmica, a diferencia de la contaminación química , produce un cambio en las propiedades físicas del agua . Una causa común de contaminación térmica es el uso de agua como refrigerante por parte de centrales eléctricas y fabricantes industriales. [1] La escorrentía urbana ( aguas pluviales descargadas a las aguas superficiales desde tejados, carreteras y estacionamientos) y los embalses también pueden ser una fuente de contaminación térmica. [4] La contaminación térmica también puede ser causada por la liberación de agua muy fría desde la base de los embalses hacia ríos más cálidos.
Cuando el agua utilizada como refrigerante regresa al entorno natural a una temperatura más alta, el cambio repentino de temperatura disminuye el suministro de oxígeno y afecta la composición del ecosistema . Los peces y otros organismos adaptados a un rango de temperatura particular pueden morir por un cambio abrupto en la temperatura del agua (ya sea un aumento o disminución rápido), conocido como "choque térmico". El agua refrigerante caliente también puede tener efectos a largo plazo sobre la temperatura del agua, aumentando la temperatura general de los cuerpos de agua, incluidas las aguas profundas. La estacionalidad afecta cómo se distribuyen estos aumentos de temperatura en toda la columna de agua. Las temperaturas elevadas del agua disminuyen los niveles de oxígeno, lo que puede matar peces y alterar la composición de la cadena alimentaria , reducir la biodiversidad de las especies y fomentar la invasión de nuevas especies termófilas . [5] [6] : 375
En Estados Unidos, entre el 75 y el 80 por ciento de la contaminación térmica es generada por centrales eléctricas. [6] : 376 El resto proviene de fuentes industriales como refinerías de petróleo , fábricas de pulpa y papel , plantas químicas , acerías y fundiciones . [7] : 4–2 [8]
El agua calentada de estas fuentes se puede controlar con:
Uno de los mayores contribuyentes a la contaminación térmica son los sistemas de enfriamiento de un solo paso (OTC) que no reducen la temperatura con tanta eficacia como los sistemas anteriores. Una gran central eléctrica puede extraer y exportar hasta 500 millones de galones por día. [10] Estos sistemas producen agua 10°C más caliente en promedio. [11] Por ejemplo, la estación generadora Potrero en San Francisco (cerrada en 2011), utilizó OTC y descargó agua en la Bahía de San Francisco aproximadamente 10 °C (20 °F) por encima de la temperatura ambiente de la bahía. [12] Más de 1200 instalaciones en los Estados Unidos utilizan sistemas OTC a partir de 2014. [7] : 4–4
Las temperaturas se pueden tomar mediante técnicas de teledetección para monitorear continuamente la contaminación de las plantas. [13] Esto ayuda a cuantificar los efectos específicos de cada planta y permite una regulación más estricta de la contaminación térmica.
La conversión de instalaciones de sistemas de refrigeración de un solo paso a sistemas de circuito cerrado puede reducir significativamente la contaminación térmica emitida. [10] Estos sistemas liberan agua a una temperatura más comparable a la del entorno natural.
A medida que el agua se estratifica dentro de las represas artificiales, la temperatura en el fondo desciende dramáticamente. Se construyen muchas presas para liberar esta agua fría del fondo a los sistemas naturales. [14] Esto puede mitigarse diseñando la presa para liberar aguas superficiales más cálidas en lugar del agua más fría en el fondo del embalse. [15]
Durante el clima cálido, la escorrentía urbana puede tener impactos térmicos significativos en los pequeños arroyos. A medida que el agua de tormenta pasa sobre tejados, estacionamientos, carreteras y aceras calientes, absorbe parte del calor, un efecto de la isla de calor urbana . Las instalaciones de gestión de aguas pluviales que absorben la escorrentía o la dirigen al agua subterránea , como los sistemas de biorretención y las cuencas de infiltración , reducen estos efectos térmicos al permitir que el agua tenga más tiempo para liberar el exceso de calor antes de ingresar al ambiente acuático. Estos sistemas relacionados para gestionar la escorrentía son componentes de un enfoque de diseño urbano en expansión comúnmente llamado infraestructura verde . [dieciséis]
Las cuencas de retención (estanques de aguas pluviales) tienden a ser menos efectivas para reducir la temperatura de escorrentía, ya que el sol puede calentar el agua antes de descargarla a un arroyo receptor. [17]
La temperatura elevada normalmente disminuye el nivel de oxígeno disuelto y de agua, ya que los gases son menos solubles en líquidos más calientes. Esto puede dañar a los animales acuáticos como peces , anfibios y otros organismos acuáticos. La contaminación térmica también puede aumentar la tasa metabólica de los animales acuáticos, como actividad enzimática , lo que hace que estos organismos consuman más alimentos en un tiempo más corto que si no se cambiara su entorno. [5] : 179 Una mayor tasa metabólica puede resultar en menos recursos; los organismos más adaptados que se mudan allí pueden tener una ventaja sobre los organismos que no están acostumbrados a la temperatura más cálida. Como resultado, las cadenas alimentarias de los entornos antiguos y nuevos pueden verse comprometidas. Algunas especies de peces evitarán segmentos de arroyos o áreas costeras adyacentes a una descarga térmica. Como resultado, la biodiversidad puede disminuir. [20] : 415–17 [6] : 380
Las altas temperaturas limitan la dispersión de oxígeno en aguas más profundas, lo que contribuye a las condiciones anaeróbicas . Esto puede provocar un aumento de los niveles de bacterias cuando hay suficiente suministro de alimentos. Muchas especies acuáticas no podrán reproducirse a temperaturas elevadas. [5] : 179–80
Los productores primarios (por ejemplo, plantas, cianobacterias ) se ven afectados por el agua cálida porque una temperatura más alta del agua aumenta las tasas de crecimiento de las plantas, lo que resulta en una vida útil más corta y una superpoblación de especies . El aumento de temperatura también puede cambiar el equilibrio del crecimiento microbiano , incluida la tasa de proliferación de algas que reducen las concentraciones de oxígeno disuelto. [21]
Los cambios de temperatura de incluso uno o dos grados Celsius pueden causar cambios significativos en el metabolismo del organismo y otros efectos adversos en la biología celular . Los principales cambios adversos pueden incluir hacer que las paredes celulares sean menos permeables a la ósmosis necesaria , la coagulación de las proteínas celulares y la alteración del metabolismo enzimático . Estos efectos a nivel celular pueden afectar negativamente a la mortalidad y la reproducción .
Un gran aumento de temperatura puede provocar la desnaturalización de las enzimas que sustentan la vida al romper los enlaces de hidrógeno y disulfuro dentro de la estructura cuaternaria de las enzimas. La disminución de la actividad enzimática en los organismos acuáticos puede causar problemas como la incapacidad de descomponer los lípidos , lo que conduce a la desnutrición . El aumento de la temperatura del agua también puede aumentar la solubilidad y la cinética de los metales, lo que puede aumentar la absorción de metales pesados por los organismos acuáticos. Esto puede provocar resultados tóxicos para estas especies, así como una acumulación de metales pesados en niveles tróficos más altos de la cadena alimentaria , aumentando la exposición humana a través de la ingestión dietética. [21]
En casos limitados, el agua caliente tiene pocos efectos nocivos e incluso puede conducir a una mejor función del ecosistema acuático receptor. Este fenómeno se ve especialmente en aguas estacionales. Un caso extremo se deriva de los hábitos de agregación del manatí , que suele utilizar los sitios de descarga de centrales eléctricas durante el invierno. Las proyecciones sugieren que las poblaciones de manatíes disminuirían si se eliminaran estas descargas. [22]
Las liberaciones de agua anormalmente fría de los embalses pueden cambiar drásticamente la fauna de peces y macroinvertebrados de los ríos y reducir la productividad de los ríos. [23] En Australia , donde muchos ríos tienen regímenes de temperatura más cálidos, se han eliminado especies de peces nativos y la fauna de macroinvertebrados se ha alterado drásticamente. Las tasas de supervivencia de los peces han disminuido hasta un 75% debido a las liberaciones en aguas frías. [14]
Cuando una planta de energía se abre o se apaga por primera vez para reparación u otras causas, los peces y otros organismos adaptados a un rango de temperatura particular pueden morir por el cambio abrupto en la temperatura del agua, ya sea un aumento o una disminución, conocido como "choque térmico". [6] : 380 [24] : 478
Los efectos del calentamiento del agua, a diferencia de los efectos del enfriamiento del agua, han sido los más estudiados con respecto a los efectos biogeoquímicos . Gran parte de esta investigación se centra en los efectos a largo plazo de las centrales nucleares en los lagos después de que se ha eliminado una central nuclear. En general, hay apoyo para que la contaminación térmica provoque un aumento de la temperatura del agua. [25] Cuando las plantas de energía están activas, los aumentos de temperatura del agua a corto plazo se correlacionan con las necesidades eléctricas, y se libera más refrigerante durante los meses de invierno. También se ha observado que el calentamiento del agua persiste en los sistemas durante largos períodos de tiempo, incluso después de que se han eliminado las plantas. [3]
Cuando el agua tibia del refrigerante de la planta de energía ingresa a los sistemas, a menudo se mezcla, lo que genera aumentos generales en la temperatura del agua en toda la masa de agua, incluida el agua profunda y más fría. Específicamente en lagos y masas de agua similares, la estratificación produce diferentes efectos según las estaciones. En verano, se ha observado que la contaminación térmica aumenta la temperatura de las aguas profundas de manera más dramática que las aguas superficiales, aunque todavía existe estratificación, mientras que en invierno las temperaturas de las aguas superficiales experimentan un aumento mayor. La estratificación se reduce en los meses de invierno debido a la contaminación térmica, eliminando muchas veces la termoclina . [3]
Un estudio que analizó el efecto de una planta de energía nuclear desmantelada en el lago Stechlin , Alemania, encontró que persistió un aumento de 2,33 °C en las aguas superficiales durante el invierno y un aumento de 2,04 °C en las aguas profundas durante el verano, con aumentos marginales durante todo el año. columna de agua tanto en invierno como en verano. [3] La estratificación y las diferencias de temperatura del agua debido a la contaminación térmica parecen correlacionarse con el ciclo de nutrientes del fósforo y el nitrógeno, ya que a menudo los cuerpos de agua que reciben refrigerante se desplazarán hacia la eutrofización . Sin embargo, no se han obtenido datos claros al respecto, ya que es difícil diferenciar las influencias de otras industrias y agricultura. [26] [27]
De manera similar a los efectos observados en los sistemas acuáticos debido al calentamiento climático del agua, también se ha observado que la contaminación térmica aumenta las temperaturas de la superficie en el verano. Esto puede crear temperaturas del agua superficial que provocan liberaciones de aire caliente a la atmósfera, aumentando la temperatura del aire. [3] Por lo tanto, puede considerarse un factor que contribuye al calentamiento global. [28] Muchos efectos ecológicos también se verán agravados por el cambio climático, a medida que aumente la temperatura ambiente en los cuerpos de agua. [11]
Los factores espaciales y climáticos pueden afectar la gravedad del calentamiento del agua debido a la contaminación térmica. Las altas velocidades del viento tienden a aumentar el impacto de la contaminación térmica. Los ríos y grandes masas de agua también tienden a perder los efectos de la contaminación térmica a medida que avanzan desde su fuente. [25] [29]
Los ríos presentan un problema único con la contaminación térmica. A medida que la temperatura del agua se eleva río arriba, las centrales eléctricas río abajo reciben aguas más cálidas. Se han visto pruebas de este efecto a lo largo del río Mississippi , ya que las centrales eléctricas se ven obligadas a utilizar aguas más cálidas como refrigerantes. [30] Esto reduce la eficiencia de las plantas y las obliga a utilizar más agua y producir más contaminación térmica.