El ozono troposférico ( O3 ), también conocido como ozono superficial y ozono troposférico , es un gas traza en la troposfera (el nivel más bajo de la atmósfera de la Tierra ), con una concentración promedio de 20 a 30 partes por mil millones en volumen (ppbv), con cerca de 100 ppbv en áreas contaminadas. [1] [2] El ozono también es un componente importante de la estratosfera , donde existe la capa de ozono (de 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 a nivel del suelo se crea por reacciones químicas entre los gases NOx (óxidos de nitrógeno producidos por la combustión) y compuestos orgánicos volátiles (COV). La combinación de estos productos químicos en presencia de la luz solar forma el ozono. Su concentración aumenta a medida que aumenta la altura sobre el nivel del mar, con una concentración máxima en la tropopausa . [4] Alrededor del 90% del ozono total en la atmósfera está en la estratosfera, y el 10% está en la troposfera. [5] Aunque el ozono troposférico está menos concentrado que el ozono estratosférico, es preocupante debido a sus efectos sobre la salud. [6] El ozono en la troposfera se considera un gas de efecto invernadero , y como tal contribuye al calentamiento global . [4] [6] como se informa en los informes del IPCC. En realidad, el ozono troposférico se considera el tercer gas de efecto invernadero más importante después del CO 2 y el CH 4 , como lo indican las estimaciones de su forzamiento radiativo [7] [8] .
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 de la combustión de combustibles fósiles ), es un contaminante y un componente del smog . [9] [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. [10] Con más calor y luz solar en los meses de verano, se forma más ozono, por lo que las regiones a menudo experimentan niveles más altos de contaminación en los meses de verano. [11] Aunque es la misma molécula, el ozono troposférico puede ser perjudicial para la salud humana, a diferencia del ozono estratosférico que protege la tierra del exceso de radiación UV. [10]
La fotólisis del ozono se produce en longitudes de onda inferiores a aproximadamente 310–320 nanómetros . [12] [13] 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 lo tanto, la concentración de ozono troposférico afecta el tiempo que estos compuestos permanecen en el aire. Si la oxidación del monóxido de carbono o el metano se produce en presencia de monóxido de nitrógeno (NO), esta cadena de reacciones tiene un producto neto de ozono añadido al sistema. [2] [6]
El ozono en la atmósfera se puede medir mediante tecnología de teledetección o mediante tecnología de monitoreo in situ . Debido a que el ozono absorbe luz en el espectro UV , la forma más común de medir el ozono es medir qué cantidad de este espectro de luz se absorbe en la atmósfera. [14] [15] Debido a que la estratosfera tiene una mayor concentración de ozono que la troposfera, es importante que los instrumentos de teledetección 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 un satélite de medición de la capa de ozono, [16] y el espectrómetro de emisión troposférica (TES) es un ejemplo de un satélite de medición de ozono que es específico para la troposfera. [17] LIDAR es una técnica común de teledetección terrestre que utiliza láser para medir el ozono. La Red de Lidar de Ozono Troposférico (TOLNet) es la red de lidares de observación de ozono en los Estados Unidos. [18]
Las ozonosondas son un tipo de instrumentos de medición de ozono in situ o local. Una ozonosonda se coloca en un globo meteorológico, de modo que el instrumento pueda medir directamente la concentración de ozono a distintas altitudes a lo largo de la trayectoria ascendente del globo. La información recopilada por el instrumento colocado en el globo se transmite de vuelta mediante tecnología de radiosonda . [14] La NOAA ha trabajado para crear una red mundial de mediciones de ozono troposférico utilizando ozonosondas. [19]
El ozono también se mide en las redes de vigilancia ambiental de la calidad del aire . En estas redes, se utilizan monitores de ozono in situ basados en las propiedades de absorción de rayos ultravioleta del ozono para medir los niveles de ppb en el aire ambiente.
El ozono atmosférico total (que a veces se observa en los informes meteorológicos) se mide en una columna que va 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 los milimoles por metro cuadrado (mmol/m2 ) .
La mayor parte de la formación de ozono troposférico se produce 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, el CO y los COV se consideran precursores del ozono. [9] [6] Los gases de escape de los vehículos de motor, 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 la formación de ozono también 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 en lugar de en episodios de smog fotoquímico locales o regionales. En situaciones en las que esta exclusión del metano del grupo de sustancias COV no es obvia, a menudo se utiliza el término COV no metánico (COVNM).
El ozono en interiores se produce por ciertos dispositivos eléctricos de alto voltaje (como los ionizadores de aire ) y como subproducto de otros tipos de contaminación. [20] El aire exterior utilizado para la ventilación puede tener suficiente ozono para reaccionar con contaminantes comunes en interiores, así como con aceites de la piel y otras sustancias químicas o superficies comunes en el aire interior. Se justifica una preocupación especial cuando se utilizan productos de limpieza "ecológicos" basados en extractos de cítricos o terpenos , porque estos productos químicos reaccionan muy rápidamente con el ozono y forman sustancias químicas tóxicas e irritantes [21], así como partículas finas y ultrafinas .
Las reacciones químicas implicadas 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 implicadas en este proceso se ilustran aquí con el CO, pero también se producen reacciones similares para los COV. La oxidación comienza con la reacción del CO con el radical hidroxilo ( • OH). [13] El intermediario radical formado por esto reacciona rápidamente con el oxígeno para dar un radical peróxido HO
2•
Un esquema de la reacción en cadena que ocurre en la oxidación del CO, produciendo O 3 : [2] [13]
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 peróxido , HO 2 • :
Los radicales peroxi luego reaccionan con NO para producir NO 2 , que se fotoliza mediante radiación UV-A para dar un 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 de •OH con NO 2 para formar ácido nítrico a altos niveles de NOx . Si el monóxido de nitrógeno (NO) está presente en cambio en niveles muy bajos en la atmósfera (menos de 10 ppt aproximadamente), los radicales peróxido (HO 2 • ) formados a partir de la oxidación reaccionarán en cambio entre sí para formar peróxidos y no producirán ozono. [1]
Los efectos sobre la salud dependen de los precursores del ozono, que son un grupo de contaminantes que se generan principalmente durante la combustión de combustibles fósiles. El ozono troposférico se crea cuando los óxidos nitrosos reaccionan con compuestos orgánicos en presencia de la luz solar. [22] Existen muchas fuentes artificiales de estos compuestos orgánicos, incluidas las emisiones de vehículos e industriales, junto con varias otras fuentes. [22] La reacción con los rayos ultravioleta (UV) de la luz del día y estos precursores crea contaminación por 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 troposférico puede adelantar la muerte unos días en poblaciones predispuestas y vulnerables. [26] Un estudio estadístico de 95 grandes comunidades urbanas de 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 4000 vidas por año (Bell et al., 2004). El ozono troposférico causa aproximadamente 22 000 muertes prematuras por 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 "insalubres para grupos sensibles", de 96 nmol/mol a 115 nmol/mol como insalubres y de 116 nmol/mol a 404 nmol/mol como muy insalubres. [27] 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), como que no cumplen con los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental .
En 2000, el Anexo sobre el Ozono se añadió al Acuerdo sobre la Calidad del Aire entre Estados Unidos y Canadá . El Anexo sobre el Ozono aborda la contaminación atmosférica transfronteriza que contribuye al ozono troposférico, que a su vez contribuye al smog. El objetivo principal era alcanzar estándares adecuados de calidad del aire en materia de ozono en ambos países. [28] La cordillera North Front Range de Colorado no ha cumplido con los estándares federales de calidad del aire. La EPA de Estados Unidos designó a Fort Collins como parte del área de incumplimiento de los estándares de ozono en noviembre de 2007. [29] Esto significa que la legislación medioambiental de Estados Unidos considera que la calidad del aire es peor que los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental, que se definen en las Enmiendas a la Ley de Aire Limpio. [30] En 2024, la Asociación Pulmonar clasificó a Fort Collins en el puesto 16 del país en cuanto a días con alto nivel de ozono de 228 áreas metropolitanas, en el puesto 38 en cuanto a contaminación por partículas las 24 horas de 223 áreas metropolitanas y en el puesto 136 en cuanto a contaminación por partículas anual de 204 áreas metropolitanas. [31]
En el monitoreo de la calidad del aire, el condado de Boulder , Colorado, está clasificado por la EPA 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. [32] 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 ha fallado regularmente en cumplir con los estándares federales establecidos por la Agencia de Protección Ambiental. [33] 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 con ozono durante el calor del día. [34]
El ozono troposférico se forma tanto de forma natural como antropogénica. Es el componente principal del smog urbano y se forma de forma natural como contaminante secundario a través de reacciones fotoquímicas que involucran óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles en presencia de luz solar intensa con temperaturas elevadas. [35]
Independientemente de si se produce de forma natural o se forma antropogénicamente, el cambio en las concentraciones de ozono en la troposfera superior:
Como resultado, la contaminación fotoquímica por smog en la superficie de la Tierra, así como el agotamiento del ozono estratosférico, han recibido mucha atención en los últimos años. Es probable que las alteraciones en la "troposfera libre" sean el foco del próximo ciclo de preocupación científica. En varias partes del hemisferio norte, los niveles de ozono troposférico han estado aumentando. [36] En varias 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 entorno en ascenso, por otra parte, favorece la síntesis y acumulación de ozono en la atmósfera, debido a dos mecanismos fisicoquímicos. En primer lugar, 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 en la superficie. [37]
Los cambios en la temperatura del aire y el contenido de agua afectan la química del aire y las tasas de reacciones químicas que crean y eliminan el ozono. Muchas tasas de reacciones químicas aumentan con la temperatura y conducen a una mayor producción de ozono. Las proyecciones del 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 los Estados Unidos. [37] En particular, la degradación del contaminante peroxiacetilnitrato (PAN), que es una especie reservorio importante para el transporte a larga distancia de precursores de ozono, se acelera con 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 proyecta que este enfriamiento resultará en 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. [38]
Por otra parte, la pérdida de ozono 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 que 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 estratosférico medidas durante las últimas dos décadas han generado un forzamiento negativo del sistema superficie-troposfera" de alrededor de 0,15 0,10 vatios por metro cuadrado (W/m 2 ). [39] Además, el aumento de las temperaturas del aire a menudo mejora los procesos de formación de ozono, lo que también repercute en el clima.
Además, como 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 UV 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. [40] La producción de ozono aumenta durante las olas de calor , porque las plantas absorben menos ozono. Se estima que la absorción reducida de ozono por las plantas podría ser responsable de la pérdida de 460 vidas en el Reino Unido en el caluroso verano de 2006. [41] 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. [42]
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