El ozono troposférico ( O 3 ), también conocido como ozono superficial y ozono troposférico , es un gas traza en la troposfera (el nivel más bajo de la atmósfera terrestre ), con una concentración promedio de 20 a 30 partes por mil millones en volumen. (ppbv), con cerca de 100 ppbv en zonas contaminadas. [1] [2] El ozono también es un constituyente importante de la estratosfera , donde existe la capa de ozono (2 a 8 partes por millón de ozono) que se encuentra entre 10 y 50 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. [3] La troposfera se extiende desde el suelo hasta una altura variable de aproximadamente 14 kilómetros sobre el nivel del mar . El ozono está menos concentrado en la capa terrestre (o capa límite planetaria ) de la troposfera. El ozono troposférico o troposférico se crea mediante reacciones químicas entre gases NOx (óxidos de nitrógeno producidos por la combustión) y compuestos orgánicos volátiles (COV). La combinación de estos químicos en presencia de luz solar forma ozono. Su concentración aumenta a medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar, con una concentración máxima en la tropopausa . [4] Aproximadamente el 90% del ozono total en la atmósfera se encuentra en la estratosfera y el 10% en la troposfera. [5] Aunque el ozono troposférico está menos concentrado que el ozono estratosférico, es motivo de preocupación debido a sus efectos sobre la salud. [6] El ozono en la troposfera se considera un gas de efecto invernadero y puede contribuir al calentamiento global . [4] [6]
Las reacciones fotoquímicas y químicas que involucran al ozono impulsan muchos de los procesos químicos que ocurren en la troposfera durante el día y la noche. En concentraciones anormalmente altas (la fuente más importante son las emisiones procedentes de la combustión de combustibles fósiles ), es un contaminante y un constituyente del smog . [7] [6] Sus niveles han aumentado significativamente desde la revolución industrial, ya que los gases NOx y los COV son algunos de los subproductos de la combustión. [8] Con más calor y luz solar en los meses de verano, se forma más ozono, razón por la cual las regiones a menudo experimentan niveles más altos de contaminación en los meses de verano. [9] Aunque es la misma molécula, el ozono a nivel del suelo puede ser perjudicial para la salud humana, a diferencia del ozono estratosférico que protege la tierra del exceso de radiación ultravioleta. [8]
La fotólisis del ozono ocurre en longitudes de onda por debajo de aproximadamente 310 a 320 nanómetros . [10] [11] Esta reacción inicia una cadena de reacciones químicas que eliminan el monóxido de carbono , el metano y otros hidrocarburos de la atmósfera mediante oxidación . Por tanto, la concentración de ozono troposférico afecta el tiempo que estos compuestos permanecen en el aire. Si la oxidación de monóxido de carbono o metano ocurre en presencia de monóxido de nitrógeno (NO), esta cadena de reacciones tiene un producto neto de ozono agregado al sistema. [2] [6]
El ozono en la atmósfera se puede medir mediante tecnología de detección remota o mediante tecnología de monitoreo in situ . Debido a que el ozono absorbe luz en el espectro ultravioleta , la forma más común de medir el ozono es medir qué parte de este espectro de luz se absorbe en la atmósfera. [12] [13] Debido a que la estratosfera tiene una mayor concentración de ozono que la troposfera, es importante que los instrumentos de detección remota puedan determinar la altitud junto con las mediciones de concentración. Un espectrómetro de mapeo de ozono total-sonda terrestre (TOMS-EP) a bordo de un satélite de la NASA es un ejemplo de satélite de medición de la capa de ozono, [14] y el espectrómetro de emisiones troposféricas (TES) es un ejemplo de satélite de medición de ozono que es específicamente para la troposfera. [15] LIDAR es una técnica común de detección remota terrestre que utiliza láser para medir el ozono. La Red Tropospheric Ozone Lidar (TOLNet) es la red de lidars de observación del ozono en todo Estados Unidos. [dieciséis]
Las ozonosondas son una forma de instrumentos de medición del ozono locales o in situ . Se adjunta una ozonosonda a un globo meteorológico, de modo que el instrumento pueda medir directamente la concentración de ozono en las distintas altitudes a lo largo de la trayectoria ascendente del globo. La información recopilada por el instrumento adjunto al globo se transmite mediante tecnología de radiosonda . [12] La NOAA ha trabajado para crear una red global de mediciones del ozono troposférico utilizando ozonosondas. [17]
El ozono también se mide en las redes de seguimiento ambiental de la calidad del aire . En estas redes, se utilizan monitores de ozono in situ basados en las propiedades de absorción de rayos UV del ozono para medir los niveles de ppb en el aire ambiente.
El ozono atmosférico total (a veces visto en los informes meteorológicos) se mide en una columna desde la superficie hasta la parte superior de la atmósfera y está dominado por altas concentraciones de ozono estratosférico. Las unidades de medida típicas para este propósito incluyen la unidad Dobson y milimoles por metro cuadrado (mmol/m 2 ).
La mayor parte de la formación de ozono troposférico ocurre cuando los óxidos de nitrógeno (NOx), el monóxido de carbono (CO) y los compuestos orgánicos volátiles (COV) reaccionan en la atmósfera en presencia de la luz solar, específicamente el espectro UV. Los NOx, CO y VOC se consideran precursores del ozono. [7] [6] Los gases de escape de los vehículos motorizados, las emisiones industriales y los disolventes químicos son las principales fuentes antropogénicas de estos precursores del ozono. [6] Aunque los precursores del ozono a menudo se originan en áreas urbanas, los vientos pueden transportar NOx cientos de kilómetros, lo que provoca que la formación de ozono también se produzca en regiones menos pobladas. El metano, un COV cuya concentración atmosférica ha aumentado enormemente durante el último siglo, contribuye a la formación de ozono, pero a escala global y no en episodios de smog fotoquímico local o regional. En situaciones en las que esta exclusión del metano del grupo de sustancias VOC no es obvia, a menudo se utiliza el término VOC no metano (NMVOC).
Las reacciones químicas involucradas en la formación del ozono troposférico son una serie de ciclos complejos en los que el monóxido de carbono y los COV se oxidan a vapor de agua y dióxido de carbono. Las reacciones involucradas en este proceso se ilustran aquí con CO, pero también ocurren reacciones similares con COV. La oxidación comienza con la reacción del CO con el radical hidroxilo ( · OH). [11] El radical intermedio formado por esto reacciona rápidamente con el oxígeno para dar un radical peroxi HO.
2•
Un resumen de la reacción en cadena que ocurre en la oxidación del CO, produciendo O 3 : [2] [11]
La reacción comienza con la oxidación del CO por el radical hidroxilo ( · OH). El aducto radical (•HOCO) es inestable y reacciona rápidamente con el oxígeno para dar un radical peroxi , HO 2 • :
Luego, los radicales peroxi reaccionan con el NO para producir NO 2 , que se fotoliza mediante radiación UV-A para dar oxígeno atómico en estado fundamental , que luego reacciona con el oxígeno molecular para formar ozono. [1]
La reacción neta en este caso es entonces:
La cantidad de ozono producida a través de estas reacciones en el aire ambiente se puede estimar utilizando una relación de Leighton modificada . El límite de estos ciclos interrelacionados que producen ozono es la reacción del •OH con NO 2 para formar ácido nítrico a altos niveles de NOx . Si, por el contrario, el monóxido de nitrógeno (NO) está presente en niveles muy bajos en la atmósfera (menos de 10 ppt aproximadamente), los radicales peroxi (HO 2 • ) formados a partir de la oxidación reaccionarán entre sí para formar peróxidos y no producirán ozono. [1]
Los efectos sobre la salud dependen de los precursores del ozono, que es un grupo de contaminantes generados principalmente durante la combustión de combustibles fósiles. El ozono a nivel del suelo se crea mediante la reacción de óxidos nitrosos con compuestos orgánicos en presencia de luz solar. [18] Hay muchas fuentes artificiales de estos compuestos orgánicos, incluidas las emisiones industriales y de vehículos, junto con varias otras fuentes. [18] La reacción con los rayos ultravioleta (UV) de la luz del día y estos precursores crean contaminación por ozono a nivel del suelo (ozono troposférico). Se sabe que el ozono tiene los siguientes efectos sobre la salud en concentraciones comunes en el aire urbano:
En la década de 1990 se observó que el ozono a nivel del suelo puede adelantar la muerte unos días en poblaciones predispuestas y vulnerables. [22] Un estudio estadístico de 95 grandes comunidades urbanas en los Estados Unidos encontró una asociación significativa entre los niveles de ozono y la muerte prematura. El estudio estimó que una reducción de un tercio en las concentraciones de ozono urbano salvaría aproximadamente 4.000 vidas por año (Bell et al., 2004). El ozono troposférico causa aproximadamente 22.000 muertes prematuras al año en 25 países de la Unión Europea. (OMS, 2008)
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ha desarrollado un índice de calidad del aire para ayudar a explicar los niveles de contaminación del aire al público en general. Las fracciones molares de ozono promedio de 8 horas de 76 a 95 nmol/mol se describen como "no saludables para grupos sensibles", de 96 nmol/mol a 115 nmol/mol como no saludables y de 116 nmol/mol a 404 nmol/mol como muy poco saludables. [23] La EPA ha designado a más de 300 condados de los Estados Unidos, agrupados alrededor de las áreas más densamente pobladas (especialmente en California y el noreste), por no cumplir con los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental .
En 2000, se añadió el Anexo sobre el Ozono al Acuerdo sobre Calidad del Aire entre Estados Unidos y Canadá . El Anexo sobre el Ozono aborda la contaminación atmosférica transfronteriza que contribuye al ozono a nivel del suelo, que a su vez contribuye al smog. El objetivo principal era alcanzar estándares adecuados de calidad del aire con ozono en ambos países. [24] La Cordillera del Frente Norte de Colorado no ha cumplido con los estándares federales de calidad del aire. La EPA de EE. UU. designó a Fort Collins como parte del área de incumplimiento de ozono en noviembre de 2007. [25] Esto significa que la ley ambiental de EE. UU . considera que la calidad del aire es peor que los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental, que se definen en el Clean Enmiendas a la Ley del Aire. [26] En 2018, la Asociación del Pulmón clasificó al condado de Larimer en el puesto 19 del país en cuanto a días con alto contenido de ozono. [27] Fort Collins también ocupó el puesto 24 en días con alto contenido de ozono de 228 áreas metropolitanas, 52 en contaminación por partículas durante 24 horas en 217 áreas metropolitanas y 156 en contaminación anual por partículas en 203 áreas metropolitanas. [27]
En cuanto al monitoreo de la calidad del aire, la EPA clasifica al condado de Boulder , Colorado, como parte de un grupo de nueve condados que incluye el área metropolitana de Denver y la región de North Front Range. Esta zona de nueve condados ha registrado niveles de ozono que exceden el estándar de ozono de la EPA desde 2004. [28] Se han hecho intentos bajo el Pacto de Acción Temprana para llevar la calidad del aire del área a los estándares de la EPA. Sin embargo, desde 2004, la contaminación por ozono en el condado de Boulder no ha cumplido regularmente con los estándares federales establecidos por la Agencia de Protección Ambiental. [29] El condado de Boulder continúa tratando de aliviar parte de la contaminación por ozono a través de programas que alientan a las personas a conducir menos y detener las actividades que contaminan el ozono durante las horas más calurosas del día. [30]
El ozono a nivel del suelo se produce tanto de forma natural como antropogénica. Es el componente principal del smog urbano y se forma naturalmente como contaminante secundario a través de reacciones fotoquímicas que involucran óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles en presencia de luz solar intensa y altas temperaturas. [31]
Independientemente de si ocurre naturalmente o se forma antropogénicamente, el cambio en las concentraciones de ozono en la alta troposfera:
Como resultado, la contaminación fotoquímica por smog en la superficie terrestre, así como el agotamiento del ozono estratosférico, han recibido mucha atención en los últimos años. Es probable que las perturbaciones en la "tropósfera libre" sean el foco del próximo ciclo de preocupación científica. En varias partes del hemisferio norte, los niveles de ozono troposférico han ido aumentando. [32] En diversas escalas, esto puede tener un impacto en los niveles de humedad, el volumen y la dispersión de las nubes, las precipitaciones y la dinámica atmosférica. Un ambiente en ascenso, por el contrario, favorece la síntesis y acumulación de ozono en la atmósfera, debido a dos mecanismos fisicoquímicos. Primero, un clima más cálido altera las condiciones de humedad y viento en algunas partes del mundo, lo que resulta en una reducción en la frecuencia de los ciclones de superficie. [33]
Los cambios en la temperatura del aire y el contenido de agua afectan la química del aire y la velocidad de las reacciones químicas que crean y eliminan el ozono. Muchas velocidades de reacciones químicas aumentan con la temperatura y conducen a una mayor producción de ozono. Las proyecciones sobre el cambio climático muestran que el aumento de las temperaturas y el vapor de agua en la atmósfera probablemente aumentarán el ozono superficial en áreas contaminadas como el este de Estados Unidos. [33] En particular, la degradación del contaminante peroxiacetilnitrato (PAN), que es una importante especie reservorio para el transporte a larga distancia de precursores de ozono, se ve acelerada por el aumento de las temperaturas. Como resultado, a medida que aumenta la temperatura, la vida útil del PAN se reduce, lo que cambia el transporte a larga distancia de la contaminación por ozono. En segundo lugar, el mismo forzamiento radiativo del CO 2 que causa el calentamiento global enfriaría la estratosfera. Se prevé que este enfriamiento dará como resultado un aumento relativo del agotamiento del ozono (O 3 ) en la región polar, así como un aumento en la frecuencia de los agujeros de ozono. [34]
El agotamiento del ozono, por otra parte, es un forzamiento radiativo del sistema climático. Existen dos efectos opuestos: la reducción del ozono hace que la estratosfera absorba menos radiación solar, enfriándola mientras calienta la troposfera; como resultado, la estratosfera emite menos radiación de onda larga hacia abajo, enfriando la troposfera. El IPCC cree que "las pérdidas de O3 estratosféricas medidas durante las últimas dos décadas han generado un forzamiento negativo del sistema superficie-troposfera" de alrededor de 0,15 a 0,10 vatios por metro cuadrado (W/m 2 ). [35] Además, el aumento de la temperatura del aire a menudo mejora los procesos de formación de ozono, lo que también tiene repercusiones en el clima.
Además, dado que el cambio climático está provocando el derretimiento del hielo marino, lo que ocurre es que el hielo marino libera cloro molecular , que reacciona con la radiación ultravioleta para producir radicales de cloro. Debido a que los radicales de cloro son altamente reactivos, pueden acelerar la degradación del metano y el ozono troposférico y la oxidación del mercurio a formas más tóxicas. [36] La producción de ozono aumenta durante las olas de calor , porque las plantas absorben menos ozono. Se estima que la reducción de la absorción de ozono por parte de las plantas podría ser responsable de la pérdida de 460 vidas en el Reino Unido durante el caluroso verano de 2006. [37] Una investigación similar para evaluar los efectos conjuntos del ozono y el calor durante las olas de calor europeas de 2003 , concluyó que estos parecen ser aditivos. [38]
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