Ozono troposférico

El ozono a nivel del suelo (O₃), también conocido como ozono a nivel de la superficie u 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 billón por volumen. (ppbv), con cerca de 100 ppbv en áreas contaminadas. 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.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 a nivel del suelo o troposférico se crea mediante reacciones químicas entre los gases NOx (óxidos de nitrógeno producidos por la combustión) y los compuestos orgánicos volátiles (COV). La combinación de estos químicos en presencia de la 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. Aproximadamente el 90% del ozono total en la atmósfera se encuentra en la estratosfera y el 10% en la troposfera. Aunque el ozono troposférico está menos concentrado que el ozono estratosférico, es motivo de preocupación debido a sus efectos sobre la salud.El ozono en la troposfera se considera un gas de efecto invernadero y puede contribuir al calentamiento global.

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 mayor fuente son las emisiones de la combustión de combustibles fósiles), es un contaminante y un componente del smog. 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. 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. Aunque es la misma molécula, el ozono a nivel del suelo puede ser dañino para la salud humana, a diferencia del ozono estratosférico que protege a la tierra del exceso de radiación ultravioleta.

La fotólisis del ozono se produce en longitudes de onda por debajo de aproximadamente 310-320 nanómetros. Esta reacción inicia una cadena de reacciones químicas que eliminan el monóxido de carbono, el metano y otros hidrocarburos de la atmósfera a través de la oxidación. Por lo 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.

Medición

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 cuánto de este espectro de luz se absorbe en la atmósfera. 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 y el espectrómetro de emisión troposférica.(TES) es un ejemplo de un satélite de medición de ozono que es específico para la troposfera. LIDAR es una técnica común de detección remota basada en tierra que utiliza láser para medir el ozono. La Red Lidar de Ozono Troposférico (TOLNet) es la red de lidars de observación de ozono en los Estados Unidos.

Las ozonosondas son una forma de instrumentos de medición de ozono in situ o locales. Se conecta una sonda de ozono 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 del instrumento conectado al globo se transmite mediante tecnología de radiosonda. NOAA ha trabajado para crear una red global de mediciones de ozono troposférico utilizando ozonosondas.

El ozono también se mide en las redes de monitoreo ambiental de la calidad del aire. En estas redes, se utilizan monitores de ozono in situ basados ​​en las propiedades de absorción 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 típicas de medida para este propósito incluyen la unidad Dobson y los milimoles por metro cuadrado (mmol/m).

Formación

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. El NOx, el CO y los COV se consideran precursores del ozono. Los gases de escape de los vehículos de motor, las emisiones industriales y los solventes químicos son las principales fuentes antropogénicas de estos precursores del ozono.Aunque los precursores del ozono a menudo se originan en áreas urbanas, los vientos pueden transportar NOx a cientos de kilómetros, lo que hace que la formación de ozono también ocurra en regiones menos pobladas. El metano, un VOC 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 COV no es obvia, a menudo se utiliza el término COV no metano (COVNM).

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 para los COV. La oxidación comienza con la reacción del CO con el radical hidroxilo (OH). El radical intermedio formado por esto reacciona rápidamente con el oxígeno para dar un radical peroxi HO₂

Un esquema de la reacción en cadena que ocurre en la oxidación del CO, produciendo O ₃:

La reacción comienza con la oxidación del CO por el radical hidroxilo (OH). El radical aducto (•HOCO) es inestable y reacciona rápidamente con el oxígeno para dar un radical peroxi, HO ₂:•OH + CO → •HOCO•HOCO + O ₂ → HO ₂ • + CO ₂

Los radicales peroxi luego reaccionan con NO para producir NO ₂, que es fotolizado por la radiación UV-A para dar oxígeno atómico en estado fundamental, que luego reacciona con el oxígeno molecular para formar ozono.HO ₂ + NO → OH + NO ₂NO2 + hν → NO + O(P ₎, λ<400 nmO(P) + _O2 → _O3tenga en cuenta que estas tres reacciones son las que forman la molécula de ozono, y ocurrirán de la misma manera en el caso de oxidación de CO o COV.

La reacción neta en este caso es entonces:CO2 + 2O₂→ CO₂+ O₃

La cantidad de ozono producido 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, en cambio, 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.

Efectos en la salud

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 es creado por los óxidos nitrosos que reaccionan con compuestos orgánicos en presencia de la luz solar. Hay muchas fuentes artificiales de estos compuestos orgánicos, incluidas las emisiones industriales y de vehículos, junto con varias otras fuentes. 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:

• Irritación del sistema respiratorio, causando tos, irritación de garganta y/o una sensación incómoda en el pecho. El ozono afecta a las personas con afecciones respiratorias subyacentes, como asma, enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y cáncer de pulmón, así como a aquellas que pasan mucho tiempo activas al aire libre.
• Reducción de la función pulmonar, lo que dificulta la respiración profunda y vigorosa. La respiración puede volverse más rápida y superficial de lo normal, y la capacidad de una persona para participar en actividades vigorosas puede verse limitada. El ozono hace que los músculos de las vías respiratorias se contraigan, lo que atrapa el aire en los alvéolos, lo que provoca sibilancias y dificultad para respirar.
• Agravación del asma. Cuando los niveles de ozono son altos, más personas con asma tienen ataques que requieren la atención de un médico o el uso de medicamentos. Una de las razones por las que esto sucede es que el ozono hace que las personas sean más sensibles a los alérgenos, que a su vez desencadenan ataques de asma.
• Mayor susceptibilidad a infecciones respiratorias. Ejemplos de estas complicaciones respiratorias incluyen bronquitis, enfisema y asma.
• Inflamación y daño al revestimiento de los pulmones. En unos pocos días, las células dañadas se desprenden y reemplazan de manera muy similar a como se descama la piel después de una quemadura solar. Los estudios en animales sugieren que si este tipo de inflamación ocurre repetidamente durante un período prolongado (meses, años, toda la vida), el tejido pulmonar puede quedar cicatrizado permanentemente, lo que resulta en una pérdida permanente de la función pulmonar y una menor calidad de vida.
• Datos más recientes sugieren que el ozono también puede tener efectos nocivos a través de la vía inflamatoria que conduce a enfermedades cardíacas, diabetes tipo 2 y otros trastornos metabólicos.

En la década de 1990 se observó que el ozono troposférico puede adelantar la muerte unos días en poblaciones predispuestas y vulnerables. 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 4000 vidas por año (Bell et al., 2004). El ozono troposférico provoca aproximadamente 22.000 muertes prematuras al año en 25 países de la Unión Europea. (OMS, 2008)

Areas problemáticas

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 "poco saludables para los grupos sensibles", 96 nmol/mol a 115 nmol/mol como "poco saludables" y 116 nmol/mol a 404 nmol/mol como "muy insalubre". 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), que no cumplen con los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental.

En 2000, el Anexo sobre ozono se agregó al Acuerdo de calidad del aire entre EE. UU. y Canadá. El Anexo sobre Ozono aborda la contaminación atmosférica transfronteriza que contribuye al ozono troposférico, que contribuye al smog. El objetivo principal era lograr estándares adecuados de calidad del aire con ozono en ambos países. El North Front Range 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. 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 las Enmiendas a la Ley de Aire Limpio. En 2018, la Lung Association clasificó al condado de Larimer en el puesto 19 del país por días con niveles altos de ozono.Fort Collins también ocupó el puesto 24 en días con alto nivel de ozono en 228 áreas metropolitanas, el 52 en contaminación por partículas durante las 24 horas en 217 áreas metropolitanas y el 156 en contaminación anual por partículas en 203 áreas metropolitanas.

Al monitorear la calidad del aire, el condado de Boulder, CO, 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. 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. 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 el calor del día.

El ozono y el clima

El ozono a nivel del suelo se produce de forma natural y es el componente principal del smog urbano, un contaminante secundario formado a través de reacciones fotoquímicas que involucran óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles en presencia de luz solar brillante con altas temperaturas. Independientemente de si se produce de forma natural o se forma antropogénicamente, el cambio en las concentraciones de ozono en la troposfera superior a) ejercerá un impacto considerable en el calentamiento global, porque es un contaminante del aire clave y un gas de efecto invernadero, y b) la crisis actual del cambio climático también impacta la producción de ozono a nivel superficial, contribuyendo también al cambio climático.

Como resultado, la contaminación por smog fotoquímico 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 interrupciones 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 ido en aumento. En varias escalas, esto puede tener un impacto en los niveles de humedad, el volumen y la dispersión de las nubes, la precipitación y la dinámica atmosférica. Un ambiente ascendente, por otro lado, favorece la síntesis y acumulación de ozono en la atmósfera, debido a dos mecanismos fisicoquímicos. Primero, un clima más cálido altera la humedad y las condiciones del viento en algunas partes del mundo, lo que resulta en una reducción en la frecuencia de los ciclones de superficie.

Impactos del cambio climático en los procesos químicos y físicos que afectan el ozono

Los cambios en la temperatura del aire y el contenido de agua afectan la química del aire y las velocidades de las reacciones químicas que crean y eliminan el ozono. Muchas velocidades de reacción química 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. En particular, la degradación del contaminante peroxiacetilnitrato (PAN), que es una especie reservorio importante para el transporte a larga distancia de los precursores del ozono, se acelera con el aumento de las temperaturas. Como resultado, a medida que aumenta la temperatura, la vida útil de PAN se reduce, cambiando el transporte a larga distancia de la contaminación por ozono. En segundo lugar, el mismo CO ₂el forzamiento radiativo que causa el calentamiento global enfriaría la estratosfera. Se prevé que este enfriamiento resulte 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.

El agotamiento del ozono, por otro lado, 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 estratosféricas de O3 medidas en 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). 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. 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. Una investigación similar para evaluar los efectos conjuntos del ozono y el calor durante las olas de calor europeas en 2003 concluyó que estos parecen ser aditivos.