El ozono (O 3 ) es un gas traza de la troposfera , 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 que se encuentra entre 10 y 50 kilómetros sobre la superficie terrestre. [3] La troposfera es la capa más baja de la atmósfera de la Tierra . 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 del suelo (ocapa límite planetaria ) de la troposfera. El ozono troposférico o a nivel del suelo se crea por reacciones químicas entre óxidos de nitrógeno ( gases NOx ) y compuestos orgánicos volátiles (COV). La combinación de estos productos 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 está en la estratosfera y el 10% está 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 grande son las emisiones de la combustión de combustibles fósiles), es un contaminante y un componente 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 nuestra salud, 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 310-320 nanómetros . [10] [11] Esta reacción inicia la 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. [2] [6]
Medición
El ozono en la atmósfera puede medirse mediante tecnología de teledetección o mediante tecnología de seguimiento in situ . Debido a que el ozono absorbe la luz en el espectro ultravioleta , la forma más común de medir el ozono es medir la cantidad de este espectro de luz que se absorbe en la atmósfera. [12] [13] Debido a que la estratosfera tiene una concentración de ozono más alta que la troposfera, es importante que los instrumentos de teledetección puedan determinar la altitud junto con las mediciones de concentración. El instrumento TOMS-EP a bordo de un satélite de la NASA es un ejemplo de un satélite de medición de la capa de ozono, [14] y TES es un ejemplo de un satélite de medición de ozono que es específicamente para la troposfera. [15] Lidar es una técnica de detección remota basada en terreno común para medir el ozono. TOLnet es la red de lidares de observación de ozono en los Estados Unidos. [dieciséis]
Las ozonosondas son una forma de mediciones in situ o locales. Una sonda de ozono es un instrumento de medición de ozono unido a un globo meteorológico, de modo que el instrumento puede medir directamente la concentración de ozono en las distintas altitudes a lo largo de la trayectoria ascendente del globo. La información recopilada del instrumento adjunto al globo se transmite utilizando tecnología de radiosonda . [12] La NOAA ha trabajado para crear una red global de mediciones de ozono troposférico utilizando ozonosondas. [17]
El ozono también se mide en las redes de monitoreo ambiental de la calidad del aire . En estas redes, los monitores de ozono in situ basados en las propiedades de absorción de rayos ultravioleta del ozono se utilizan 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 / m2).
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 luz solar, específicamente el espectro UV. Los NOx, CO y COV se consideran precursores del ozono. [7] [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, provocando 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 más que en episodios de smog fotoquímicos locales o regionales. En situaciones donde esta exclusión del metano del grupo de sustancias VOC no es obvia, el término VOC sin metano (NMVOC) se usa a menudo.
Las reacciones químicas involucradas en la formación de 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 VOC. 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 de radicales (• 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 radiación UV-A para dar un oxígeno atómico en estado fundamental , que luego reacciona con el oxígeno molecular para formar ozono. [1]
- HO 2 • + NO → • OH + NO 2
- NO 2 + hν → NO + O ( 3 P), λ <400 nm
- O ( 3 P) + O 2 → O 3
- tenga en cuenta que estas tres reacciones son las que forman la molécula de ozono, y ocurrirán de la misma manera en el caso de la oxidación de CO o COV.
La reacción neta en este caso es entonces:
- CO + 2 O
2→ CO
2+ O
3
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 niveles elevados 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 consigo mismos para formar peróxidos y no producirán ozono. [1]
Efectos en la salud
Los efectos sobre la salud dependen de los precursores del ozono, que es un grupo de contaminantes que se generan principalmente durante la combustión de combustibles fósiles. El ozono a nivel del suelo es creado por óxidos nitrosos que reaccionan 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:
- Irritación del sistema respiratorio , provocando tos, irritación de garganta y / o sensación de malestar 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 quienes pasan mucho tiempo activos al aire libre. [19]
- Función pulmonar reducida , 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 realizar actividades vigorosas puede ser limitada. El ozono hace que los músculos de las vías respiratorias se contraigan, lo que atrapa el aire en los alvéolos y provoca sibilancias y dificultad para respirar. [19]
- Agravamiento 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 razón por la 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 .
- Inflamación y daño al revestimiento de los pulmones. En unos pocos días, las células dañadas se eliminan y reemplazan de manera muy similar a como se pela 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 con cicatrices permanentes, lo que resulta en una pérdida permanente de la función pulmonar y una menor calidad de vida.
- Los datos más recientes sugieren que el ozono también puede tener efectos dañinos a través de la vía inflamatoria que conduce a enfermedades cardíacas, diabetes tipo 2 y otros trastornos metabólicos. [20]
En la década de 1990 se observó que el ozono a nivel del suelo puede hacer avanzar la muerte en unos pocos días en poblaciones predispuestas y vulnerables. [21] 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 causa 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 "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 poco saludables". insalubre " [1] . 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 .
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. [22] 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. [23] En 2018, la Lung Association clasificó al condado de Larimer en el puesto 19 en la nación por días de alto nivel de ozono. [24] Fort Collins también ocupó el puesto 24 en cuanto a días con alto contenido de ozono en 228 áreas metropolitanas, 52 en contaminación por partículas de 24 horas en 217 áreas metropolitanas y 156 en contaminación anual por partículas en 203 áreas metropolitanas. [24]
En el monitoreo de 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 North Front Range. Esta zona de nueve condados ha registrado niveles de ozono que superan el estándar de ozono de la EPA desde 2004. [25] Se han realizado intentos bajo el Early Action Compact 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. [26] 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. [27]
Cambio climático
El derretimiento del 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. [28] 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 las plantas podría ser responsable de la pérdida de 460 vidas en el Reino Unido en el caluroso verano de 2006. [29] 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. [30]
Ver también
- Química atmosférica
- Contaminantes del aire de criterio
- Estándares nacionales de calidad del aire ambiental (EE. UU.)
- Ozono
- Humo fotoquimico
- Troposfera
- Eventos de agotamiento del ozono troposférico
Referencias
- ↑ a b c Warneck, Peter (1999). Química de la atmósfera natural . Prensa académica. ISBN 9780080529066.
- ^ a b c "8.2 Ozono troposférico" . elte.prompt.hu . Consultado el 12 de noviembre de 2018 .
- ^ Webmaster del Departamento de Medio Ambiente, Alimentación y Asuntos Rurales (Defra) @ defra gsi gov uk. "¿Qué es el ozono estratosférico? - Defra, Reino Unido" . uk-air.defra.gov.uk . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ a b "Nasa Ozone Watch: hechos sobre el ozono" . ozonewatch.gsfc.nasa.gov . Consultado el 12 de noviembre de 2018 .
- ^ Fahey, David W. (2011). Veinte preguntas y respuestas sobre la actualización de la capa de ozono 2010: evaluación científica del agotamiento del ozono 2010 . Hegglin, Michaela I., Estados Unidos. Administración Nacional Oceánica y Atmosférica., Estados Unidos. Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio., Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente., Organización Meteorológica Mundial., Comisión Europea. Ginebra, Suiza: Organización Meteorológica Mundial. ISBN 978-9966-7319-4-4. OCLC 770711102 .
- ^ a b c d e f "Ozono en la troposfera | Centro UCAR para la educación científica" . scied.ucar.edu . Consultado el 12 de noviembre de 2018 .
- ^ a b "Ozono troposférico | Coalición Clima y Aire Limpio" . ccacoalition.org . Consultado el 12 de noviembre de 2018 .
- ^ a b EPA de EE. UU., OAR (29 de mayo de 2015). "Conceptos básicos sobre el ozono a nivel del suelo" . EPA de EE . UU . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ "Educación + formación | Corporación Universitaria de Investigaciones Atmosféricas" . www.ucar.edu . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ Taniguchi, Nori; Takahashi, Kenshi; Matsumi, Yutaka (2000). "Fotodisociación de O3 alrededor de 309 nm". El Journal of Physical Chemistry A . 104 (39): 8936–8944. Código bibliográfico : 2000JPCA..104.8936T . doi : 10.1021 / jp001706i . ISSN 1089-5639 .
- ^ a b c Reeves, Claire E .; Penkett, Stuart A .; Bauguitte, Stephane; Law, Kathy S .; Evans, Mathew J .; Bandy, Brian J .; Monks, Paul S .; Edwards, Gavin D .; Phillips, Gavin (11 de diciembre de 2002). "Potencial de formación de ozono fotoquímico en la troposfera sobre el Atlántico norte derivado de las observaciones de aeronaves durante la ACSOE" . Revista de Investigación Geofísica: Atmósferas . 107 (D23): ACH 14–1 – ACH 14–14. Código bibliográfico : 2002JGRD..107.4707R . doi : 10.1029 / 2002jd002415 . ISSN 0148-0227 .
- ^ a b "¿Cómo se mide el ozono en la atmósfera?" (PDF) . ERSL NOAA .
- ^ "Midiendo el ozono desde el espacio" . Consultado el 12 de noviembre de 2018 .
- ^ NASA. "sonda-terrestre-espectrómetro-cartográfico-de-ozono-total" .
- ^ NASA. "TES" . tes.jpl.nasa.gov . Consultado el 12 de noviembre de 2018 .
- ^ LaRC, Ali Aknan (22 de junio de 2005). "Centro de datos integrado de química troposférica de la NASA" . www-air.larc.nasa.gov . Consultado el 12 de noviembre de 2018 .
- ^ Laboratorio, Departamento de Comercio de EE. UU., NOAA, Investigación del Sistema Terrestre. "División de Monitoreo Global de ESRL - Grupo de Ozono y Vapor de Agua" . www.esrl.noaa.gov . Consultado el 12 de noviembre de 2018 .
- ^ a b "Bien en lo alto, mal cerca - ¿Qué es el ozono?" . cfpub.epa.gov . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ a b EPA de EE. UU., OAR (5 de junio de 2015). "Efectos sobre la salud de la contaminación por ozono" . EPA de EE . UU . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ Adar, Sara Dubowsky (25 de septiembre de 2012). "Exposiciones infantiles al ozono" . Circulación . 126 (13): 1570-1572. doi : 10.1161 / circulaciónaha.112.133207 . ISSN 0009-7322 . PMID 23008468 .
- ^ Schlink, Uwe; Herbarth, Olf; Richter, Matthias; Dorling, Stephen; Nunnari, Giuseppe; Cawley, Gavin; Pelikan, Emil (abril de 2006). "Modelos estadísticos para evaluar los efectos en la salud y pronosticar el ozono a nivel del suelo". Modelado ambiental y software . 21 (4): 547–558. doi : 10.1016 / j.envsoft.2004.12.002 . ISSN 1364-8152 .
- ^ "Preguntas frecuentes sobre el ozono || Calidad del aire" . www.fcgov.com . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ EPA de EE. UU., OAR (10 de abril de 2014). "Tabla NAAQS" . EPA de EE . UU . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ a b "Fort Collins, CO" . Asociación Americana del Pulmón . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ "Ozono" . Condado de Boulder . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ "Pasos simples | Pasos simples. Mejor aire" . simplestepsbetterair.org . Consultado el 26 de octubre de 2019 .
- ^ "Ozono" . Condado de Boulder . 2020 . Consultado el 22 de enero de 2020 .
- ^ Jin Liao; et al. (Enero 2014). "Altos niveles de cloro molecular en la atmósfera ártica". Geociencias de la naturaleza . 7 (2): 91–94. Código Bibliográfico : 2014NatGe ... 7 ... 91L . doi : 10.1038 / ngeo2046 .
- ^ "No es solo el calor, es el ozono: un estudio destaca los peligros ocultos" . Universidad de York . Consultado el 14 de enero de 2014 .
- ^ Kosatsky T. (julio de 2005). "Las olas de calor europeas de 2003" . Eurosurveillance . 10 (7): 3–4. doi : 10.2807 / esm.10.07.00552-en . PMID 29208081 .
- Amann, Markus (2008). Riesgos para la salud del ozono debido a la contaminación atmosférica transfronteriza a largo plazo . Oficina Regional de la OMS en Europa. ISBN 978-92-890-4289-5.
- Bell, ML; McDermott, A .; Zeger, SL; Samet, JM; Dominici, F. (2004). "Ozono y mortalidad a corto plazo en 95 comunidades urbanas de Estados Unidos, 1987-2000" . JAMA: Revista de la Asociación Médica Estadounidense . 292 (19): 2372–8. doi : 10.1001 / jama.292.19.2372 . PMC 3546819 . PMID 15547165 .
- Seinfeld, John H .; Pandis, Spyros N. (2016). Química y física atmosférica: de la contaminación del aire al cambio climático (3ª ed.). Wiley. ISBN 978-1-119-22116-6.
- Wayne, Richard P (2000). Química de las atmósferas (3ª ed.). Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-850375-0.
Otras lecturas
- Cooper, OR; Parrish, DD; et al. (2014). "Distribución mundial y tendencias del ozono troposférico: una revisión basada en la observación" . Elementa: Ciencia del Antropoceno . 2 : 29. doi : 10.12952 / journal.elementa.000029 .
enlaces externos
- Mapa de ozono casi en tiempo real de la Agencia Europea de Medio Ambiente (ozoneweb)
- Información sobre el ozono de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.
- Mapa de ozono en vivo de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.
- Información sobre la regulación del ozono de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.
- Corporación Universitaria de Investigaciones Atmosféricas sobre la contaminación por ozono
- Espectrómetro de mapeo de ozono total (monitoreo satelital)
- Informes de la OMS y Europa: Aspectos sanitarios de la contaminación atmosférica (2002) (PDF) y " Respuesta a las preguntas de seguimiento de CAFE (2003) (PDF)
- Página de recursos de ozono de la NASA
- [2] Estándares de todo el Canadá para material particulado (PM2.5) y ozono (PDF)