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 la caída de la temperatura de un cuerpo natural de agua causado por la influencia humana . La contaminación térmica, a diferencia de la contaminación química , resulta en un cambio en las propiedades físicas del agua . Una causa común de contaminación térmica es el uso del agua como refrigerante por parte de las centrales eléctricas y los fabricantes industriales. [1] La escorrentía urbana ( aguas pluviales descargadas a las aguas superficiales desde los tejados, las carreteras y los 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 a ríos más cálidos.
Cuando el agua utilizada como refrigerante se devuelve 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 rápidos) conocido como "choque térmico". El agua de refrigeración caliente también puede tener efectos a largo plazo en la temperatura del agua, aumentando la temperatura general de los cuerpos de agua, incluidas las aguas profundas. La estacionalidad afecta la forma en que estos aumentos de temperatura se distribuyen a lo largo de la columna de agua. Las temperaturas elevadas del agua disminuyen los niveles de oxígeno, lo que puede matar a los 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 los 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 procedente de estas fuentes se puede controlar con:
Uno de los mayores contribuyentes a la contaminación térmica son los sistemas de enfriamiento de paso único (OTC, por sus siglas en inglés), que no reducen la temperatura de manera tan efectiva como los sistemas anteriores. Una gran planta de energía 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 Central Generadora Potrero en San Francisco (cerrada en 2011), utilizó OTC y descargó agua a 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 en 2014. [7] : 4–4
Se pueden tomar temperaturas 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 refrigeración de paso único 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 en las presas artificiales, la temperatura en el fondo desciende drásticamente. Muchas presas se construyen para liberar esta agua fría del fondo hacia los sistemas naturales. [14] Esto se puede mitigar diseñando la presa para que libere aguas superficiales más cálidas en lugar del agua más fría del fondo del embalse. [15]
Durante el clima cálido, la escorrentía urbana puede tener impactos térmicos significativos en los arroyos pequeños. A medida que el agua de lluvia pasa sobre techos calientes, estacionamientos, caminos y aceras, 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 hacia las aguas subterráneas , 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 entorno acuático. Estos sistemas relacionados para la gestión de la escorrentía son componentes de un enfoque de diseño urbano en expansión comúnmente llamado infraestructura verde . [16]
Las cuencas de retención (estanques de aguas pluviales) tienden a ser menos eficaces para reducir la temperatura de escorrentía, ya que el agua puede calentarse por el sol antes de ser descargada a un arroyo receptor. [17]
La temperatura elevada generalmente 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 la actividad enzimática , lo que hace que estos organismos consuman más alimentos en un tiempo más corto que si su entorno no cambiara. [5] : 179 Una tasa metabólica aumentada puede resultar en menos recursos; los organismos más adaptados que se mudan 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. La biodiversidad puede disminuir como resultado. [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 un suministro abundante de alimentos. Muchas especies acuáticas no se reproducen a temperaturas elevadas. [5] : 179–80
Los productores primarios (por ejemplo, plantas, cianobacterias ) se ven afectados por el agua caliente porque una temperatura más alta del agua aumenta las tasas de crecimiento de las plantas, lo que resulta en una vida más corta y una superpoblación de especies . El aumento de la temperatura también puede cambiar el equilibrio del crecimiento microbiano , incluida la tasa de proliferación de algas que reduce las concentraciones de oxígeno disuelto. [21]
Los cambios de temperatura de incluso uno o dos grados Celsius pueden provocar cambios significativos en el metabolismo del organismo y otros efectos adversos en la biología celular . Los principales cambios adversos pueden incluir la pérdida de permeabilidad de las paredes celulares a la ósmosis necesaria, la coagulación de las proteínas celulares y la alteración del metabolismo enzimático . Estos efectos a nivel celular pueden afectar negativamente la mortalidad y la reproducción .
Un gran aumento de la 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 la acumulación de metales pesados en niveles tróficos superiores en la cadena alimentaria , lo que aumenta la exposición humana a través de la ingestión dietética. [21]
En algunos casos, el agua caliente tiene poco efecto perjudicial e incluso puede mejorar el funcionamiento del ecosistema acuático receptor. Este fenómeno se observa especialmente en aguas estacionales. Un caso extremo se deriva de los hábitos de agregación del manatí , que a menudo utiliza los sitios de descarga de las centrales eléctricas durante el invierno. Las proyecciones sugieren que las poblaciones de manatíes disminuirían con la eliminación de estos vertidos. [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 fluvial. [23] En Australia , donde muchos ríos tienen regímenes de temperatura más cálidos, se han eliminado especies de peces autóctonas y se ha alterado drásticamente la fauna de macroinvertebrados. Las tasas de supervivencia de los peces han disminuido hasta un 75% debido a las liberaciones de agua fría. [14]
Cuando una planta de energía abre o cierra por primera vez para reparaciones u otras causas, los peces y otros organismos adaptados a un rango particular de temperatura 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 en relación con 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 haya eliminado una central nuclear. En general, hay respaldo a la idea de que la contaminación térmica conduce a un aumento de las temperaturas del agua. [25] Cuando las centrales eléctricas 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 hayan eliminado las plantas. [3]
Cuando el agua caliente proveniente del refrigerante de una central eléctrica ingresa a los sistemas, a menudo se mezcla, lo que provoca aumentos generales de la temperatura del agua en todo el cuerpo de agua, incluso en el agua más fría. Específicamente en lagos y cuerpos de agua similares, la estratificación produce diferentes efectos según la estación. En verano, se ha observado que la contaminación térmica aumenta la temperatura del agua más profunda de manera más drástica que la del agua superficial, aunque la estratificación aún existe, mientras que en invierno las temperaturas del agua superficial experimentan un aumento mayor. La estratificación se reduce en los meses de invierno debido a la contaminación térmica, lo que a menudo elimina la termoclina . [3]
Un estudio que analiza el efecto de la eliminación de una planta de energía nuclear en el lago Stechlin , Alemania, encontró que persistía un aumento de 2,33 °C en el agua superficial durante el invierno y un aumento de 2,04 °C en el agua profunda durante el verano, con aumentos marginales en toda la 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 desplazan hacia la eutrofización . Sin embargo, no se han obtenido datos claros al respecto, ya que es difícil diferenciar las influencias de otras industrias y la 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 superficiales en el verano. Esto puede crear temperaturas superficiales del agua que provoquen la liberación de aire cálido a la atmósfera, lo que aumenta 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 influir en 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 los grandes cuerpos de agua también tienden a perder los efectos de la contaminación térmica a medida que se alejan de la fuente. [25] [29]
Los ríos presentan un problema singular en cuanto a contaminación térmica. A medida que las temperaturas del agua aumentan río arriba, las centrales eléctricas río abajo reciben aguas más cálidas. Se han observado pruebas de este efecto a lo largo del río Misisipi , 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.