¿QUÉ ES EL OZONO TROPOSFÉRICO?

El ozono que se encuentra en la troposfera, entre superficie y los 18 Km de altitud para las zonas ecuatoriales, recibe el nombre de ozono troposférico y sus mayores concentraciones se localizan entre la superficie terrestre y los 10 metros de altura, aproximadamente y es llamado ozono superficial.

Todas las moléculas de ozono son químicamente idénticas (contienen tres átomos de oxígeno), sin embargo, el ozono estratosférico tiene consecuencias ambientales muy diferentes para los humanos y otras formas de vida que el ozono superficial.

El ozono troposférico y en particular, el ozono superficial, es el principal contaminante fotoquímico y se origina principalmente en las áreas urbanas por varias fuentes de emisión, como los automóviles y la industria. La contaminación por ozono, es un problema diurno durante los días soleados, a causa de que la luz solar desempeña un papel primordial en su formación.

La concentración elevada de ozono superficial es causante de muchos problemas, porque este gas reacciona fuertemente para destruir o alterar otras moléculas y actúa como un contaminante tóxico para la salud humana, produciendo daños respiratorios y pulmonares como la inflamación de sus tejidos, dolores de pecho, irritación de la garganta y ojos, aumento de afecciones asmáticas, empeoramiento de enfermedades preexistentes del corazón, ataques de tos, jadeo, dificultades de respiración en la realización de ejercicios y alteraciones en el sistema de defensa inmunológica de una persona. Si hay repetidas exposiciones al (O₃) durante varios meses se pueden ocasionar daños permanentes a los pulmones, estando más expuestas las personas que permanecen gran tiempo al aire libre.

El ozono tiene efectos nocivos sobre la vegetación, ya que deteriora las hojas de los árboles y plantas, así como reduce el rendimiento de los cultivos y el crecimiento de los bosques debido a que interfiriere en la capacidad de almacenar y producir nutrientes, lo cual, hace más susceptibles las plantas a insectos, a otros contaminantes y a las inclemencias del tiempo.

El ozono deteriora materiales de uso común, como el caucho, el nylon, los plásticos, los colorantes y las pinturas, corroe metales y deteriora las llantas de los vehículos.

En general, los efectos negativos del incremento del ozono superficial contrastan ampliamente con los efectos positivos del ozono estratosférico. Sin embargo, un aspecto positivo de la presencia natural del ozono superficial es el de contribuir a remover otros gases emitidos por actividades humanas o naturalmente, como es el metano, el monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno.

Finalmente, el ozono troposférico contribuye a generar un calentamiento en la superficie de la tierra. El incremento del ozono en la baja atmósfera, al igual que del dióxido de carbono (CO₂), el metano (CH₄), el óxido nitroso (N₂O) y los gases que contienen compuestos halogenados, considerados como gases de efecto invernadero (GEI), están generando un cambio en el balance radiativo de la atmósfera de la Tierra entre la radiación solar entrante y la radiación infrarroja saliente. Los GEI cambian generalmente el balance absorbiendo la radiación saliente, generando un calentamiento de la superficie terrestre.

FORMACIÓN DEL OZONO TROPOSFÉRICO

El ozono troposférico no es una sustancia emitida directamente a la atmósfera sino un contaminante secundario y es el compuesto más representativo de los oxidantes fotoquímicos y uno de los principales ingredientes del smog urbano. Su proceso de formación comienza con la emisión del dióxido de nitrógeno (NO₂) y de hidrocarburos, a los que se les conoce como los "precursores" principales para la formación del ozono, los cuales son compuestos que reaccionan en la presencia de calor y de luz solar para producir ozono.

Hidrocarburos + NO₂ + calor + luz solar = Ozono

La luz solar provee la energía necesaria para iniciar la formación del ozono, siendo la radiación cercana al ultravioleta la que disocia moléculas estables para formar radicales libres. En la presencia de óxidos de nitrógeno estos radicales libres catalizan la oxidación de hidrocarburos a dióxido de carbono y vapor de agua. Especies orgánicas parcialmente oxidadas tales como aldehídos, cetonas y monóxido de carbono son productos intermedios, siendo el ozono generado como un subproducto.

Particularmente, cuando hay temperaturas elevadas, condiciones secas y hay poca mezcla de las corrientes de aire, el ozono superficial puede acumularse a niveles tóxicos. La producción de ozono superficial no contribuye significativamente a la abundancia del ozono estratosférico.

A continuación, se presentan algunos mecanismos de la química troposférica a escala urbana que ilustran la formación del ozono.

a. Ciclo natural de los NO_X. SEINFEL y SPYROS (1997) plantean que cuando el monóxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO₂) se encuentran en presencia de luz solar, se produce la formación de O₃, como el resultado de la fotólisis del NO₂ por la radiación con longitud de onda menor a los 424 nm. Este desarrollo cinético corresponde al ciclo natural de los óxidos de nitrógeno, sin la injerencia de la contaminación por compuestos orgánicos volátiles.

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Mientras que el NO₂ participa en la formación del ozono (ecuaciones 1 y 2), el NO lo destruye para formar oxígeno y dióxido de nitrógeno (ecuación 3). Por esta razón los niveles de ozono no son tan altos en áreas urbanas (donde los altos niveles de NO son emitidos desde vehículos) como si en áreas rurales.

Debido a que los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos son transportados fuera de las áreas urbanas, el NO que no participó en reacciones de destrucción del ozono es oxidado a NO₂, el cual, participa en la formación de ozono y que conjuntamente con el ozono ya formado pueden persistir durante varios días y ser trasladados cientos de kilómetros contaminando otras regiones.

Desde que el ozono mismo es fotodisociado, al dividirse por acción de la luz solar, para formar radicales libres (ecuación 2), este promueve la oxidación química y cataliza así su propia formación (siendo un ejemplo de autocatálisis).

b. Los hidrocarburos y la modificación del ciclo natural de NO_X. La clave del entendimiento de la química troposférica, en una atmósfera contaminada, se encuentra en los radicales (OH). El sistema de mecanismos presentado a continuación, es una cadena de reacciones en las cuales los hidrocarburos (RH) son transformados a compuestos carboxílicos (RCHO) y la transformación de NO a NO₂, con la participación de OH que se crea y desaparece en cada etapa de la cadena de reacciones. La unión carboxílica es clave porque es atacada por el radical OH.

Inicialmente los radicales OH reaccionan con muchos hidrocarburos (RH) conduciendo a la formación de alquilperoxiradicales, como se muestra a continuación:

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La reacción del OH con los aldehídos (RCHO) forma los acilradicales (RCO·) y acilperoxiradicales (RC(O)O2·).

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Los peroxiradicales reaccionan rápidamente con NO para formar NO₂ y otros radicales libres como el alcoxil (RO·). Las reacciones generales son las siguientes:

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El más común de los destinos de los radicales alcoxil de pequeño tamaño molecular es la reacción con el oxígeno molecular para producir radical hidroperoxil, HO₂·, y compuestos carbonílicos:

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Los radicales RC(O)O· tienen corto tiempo de vida y pueden descomponerse para generar radicales alquil, R·, y CO₂, con la subsiguiente formación de radicales alquilperoxil:

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Finalmente, los radicales hidroperoxil (HO₂·) pueden reaccionar con el NO para regenerar OH· y completar el ciclo:

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Hay que destacar que los radicales libres iniciales son el resultado de reacciones de fotolisis. La más importante corresponde a la descomposición fotolítica del ozono para generar oxígeno atómico (O) y molecular (O₂) y la formación posterior del OH·, como lo muestran las siguientes reacciones:

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Las reacciones que finalizan la química troposférica incluyen:

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En correspondencia con las vías de las reacciones, los radicales pueden propagar la cadena de formación de radicales o terminar con la formación productos no radicales. A bajas concentraciones de NO_X, los productos radicales pueden mantenerse en la vía de propagación. Los productos diferentes a los radicales son la mayor fuente de ácidos orgánicos y alcoholes.

c. Química atmosférica en la noche. El comportamiento en horas de la noche sigue un patrón diferente. De acuerdo a lo presentado por Clement (1995), en este periodo el radical nitrato (NO₃) que se obtienen de la reacción del O₃ y el NO₂, conducen a la formación del ácido nítrico, el cual actúa como centro de nucleación del vapor de agua provocando la formación de niebla ácida.

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CICLO DIARIO DE LA FORMACIÓN DE OZONO SUPERFICIAL

El proceso se inicia bajo condiciones de estabilidad atmosférica, presencia de humedad y de otros contaminantes presentes en la atmósfera.  A medida que se intensifican las actividades humanas a primeras horas de la mañana (entre las 5 a.m. y las 9 a.m.), relacionadas a fuentes fijas (ej. equipos de combustión en industrias) y fuentes móviles (ej. automóviles), las concentraciones de los contaminantes primarios se incrementan. Por la acción de la radiación solar, los contaminantes primarios (NO, CH₄ y los Hidrocarburos No Metánicos ¿ HCNM) se transforman en los contaminantes secundarios (NO₂ y O₃), disminuyendo las concentraciones de los primeros desde las siete u ocho de la mañana y aumentando las de los segundos al finalizar la mañana y durante la tarde. Al finalizar la tarde, la producción del ozono disminuye, a medida que disminuye la intensidad de la radiación solar, aumentándose levemente la concentración del NO₂, el cual participa en las reacciones de formación del ozono.

En la figura 1 se presenta el comportamiento promedio horario durante el día de las concentraciones del ozono y de los gases que contribuyen a su formación en la estación Sony de la red de calidad del aire de la Secretaria Distrital de Ambiente de la ciudad de Bogotá, con base en los datos de la serie comprendida entre agosto de 1997 y julio de 2001.

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En la figura para la estación Sony, se destaca lo siguiente: incrementos en las concentraciones de los contaminantes primarios entre las 5 a.m. y las 8 a.m. (NO, CH₄ y los HCNM); aumento inicial en la producción de contaminantes secundarios (NO₂ y O₃) con el incremento de la radiación solar en horas de la mañana; el pico de mayor concentración del NO₂ se presenta poco después del pico de mayor concentración del NO; el aumento en la concentración del O₃ está relacionado con la disminución de las concentraciones de los gases precursores del mismo como son el NO₂, el CH₄ y los HCNM (debido a su interacción para formar el O₃ y a la disminución en la intensidad de las actividades que los producen), presentándose el máximo de ozono entre las 10 y las 12 de la mañana; finalmente, se presenta otro aumento en las concentraciones de los contaminantes primarios desde las seis de la tarde hasta las 10 de la noche, pero sin el aumento en las concentraciones debido a la ausencia de la radiación solar.

DISTRIBUCIÓN DEL OZONO TROPOSFÉRICO

El ozono troposférico sobre Colombia (Ver figura 2) fluctúa entre 18 y 34 U.D., caracterizándose los meses de noviembre, diciembre y enero, por presentar las menores concentraciones, las cuales varían entre 18 y 26 U.D.; en tanto que en los meses de julio, agosto y septiembre se registran valores más altos, entre 26 y 34 U.D.; el resto de meses el ozono troposférico varía entre 26 y 30 U.D. Por otro lado, se observa que las mayores concentraciones se presentan en el oriente de país, mientras que las menores se localizan sobre las aguas marítimas del océano Pacífico.

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DISTRIBUCIÓN DEL OZONO SUPERFICIAL

En Bogotá, la Secretaria Distrital de Ambiente cuenta con una red de calidad del aire con varias estaciones que miden las concentraciones de ozono a nivel superficial, generando informes mensuales y anuales del comportamiento de este y otros contaminantes en la ciudad. Del informe anual del 2001, se tomó la figura 3 y a continuación se presenta la conclusión para el O₃: ¿este es un contaminante crítico en la ciudad debido a que, exceptuando la estación Olaya, en los demás sitios en donde se mide su concentración se detectaron registros superiores a los permitidos. Se destaca que, por ejemplo, en MMA y Cazucá, las máximas concentraciones horarias exceden la norma en más de dos veces¿.

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En las siguientes entidades se puede obtener información de la distribución del ozono en ciudades como Bogotá, Cali, Bucaramanga, Medellín y Barranquilla.

- SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE,- BOGOTÁ

- DEPARTAMENTO ADMINISTRATIVO DE GESTIÓN DEL MEDIO AMBIENTE ¿ DAGMA DE CALI

- CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL PARA LA DEFENSA DE LA MESETA DE BUCARAMANGA

- RED DE VIGILANCIA DE CALIDAD DEL AIRE PARA EL VALLE DE ABURRÁ (REDAIRE) - MEDELLÍN

- DEPARTAMENTO TÉCNICO ADMINISTRATIVO DEL MEDIO AMBIENTE BARRANQUILLA, DAMAB