Observatorio de la Tierra de la NASA. (s. f.). [Ozono sobre la Ciudad de México] [fotografía]. Tomada de https://eoimages.gsfc.nasa.gov/images/imagerecords/145000/145062/mexicofires_amo_2019104.jpg
La contaminación atmosférica en una región depende tanto de la topografía, de las condiciones meteorológicas, así como de las emisiones locales. De lo anterior, en donde se puede actuar para mejorar la calidad del aire es en las emisiones, ya que se pueden aplicar acciones para reducirlas; por ejemplo, el uso de combustibles con menos azufre, incremento en la eficiencia de combustión por mantenimiento a equipos, uso de solventes con reactividad menor en la atmósfera, etc.
Una sustancia en el ambiente, que por su concentración afecte de forma negativa alguno de sus elementos, se conoce como contaminante. Por su origen, los contaminantes pueden ser primarios o secundarios.
Revisemos enseguida algunos aspectos esenciales del ozono.
El ozono es un gas muy oxidante y su presencia ambiental afecta a la salud humana, a los materiales y a los ecosistemas, lo cual hace que sea de importancia su estudio y control.
Se genera por un conjunto de reacciones en la atmósfera, promovidas por la luz. Los procesos que emiten ozono a la atmósfera lo hacen en pequeñas cantidades, así la generación de ozono depende de las reacciones en la atmósfera, por lo que se le conoce como contaminante secundario. La producción de ozono en la atmósfera depende de la concentración de óxidos de nitrógeno (NOx) y de los compuestos orgánicos volátiles (VOC).
El ozono se produce en las áreas urbanas por la interacción de los óxidos de nitrógeno (NOx) con los compuestos orgánicos volátiles (COV) en presencia de luz (hν), que contribuye a la producción de radicales (O∙).
En las ciudades, la presencia de COV hace que la reacción (4) sea más importe que la (3); lo anterior hace que se acumule el O3, ya que no hay NO que reaccione con O3, porque se ha convertido a NO2, el cual hace que produzca más O3.
• La formación de ozono se ve influenciada por los cambios en las concentraciones de sus precursores (NOx y COV). La relación que posee el ozono con sus precursores no es lineal, por lo que disminuir alguno no implica que se reduzca su concentración.
• Una región en donde la reducción de NOx conlleva a la reducción de ozono se conoce como sensible a NOx, y aquélla en donde la reducción de VOC reduce ozono es sensible a VOC. Sin embargo, sucede que en la zona sensible a NOx, reducir VOC puede inducir incremento en el ozono, y en la región sensible a VOC, disminuir NOx puede incrementar la concentración de ozono local.
• En una zona en donde la atmósfera es sensible a NOx, reducir la emisión de éstos conllevará a la reducción de O3; sin embargo, si se reducen los COV no se vería reducción en el O3.
• En el caso de una atmósfera sensible a COV (en donde las reducciones de COV conllevan a la reducción de O3), al reducir NOx puede llegar a incrementar el O3 local, pero disminuir la concentración regional.
Disminuir las emisiones de un compuesto se realiza mediante un conjunto de acciones conocidas como estrategias de control; por ejemplo, disminución de azufre en combustibles, uso de calentadores solares, mejora de gasolinas, disminución de emisiones vehiculares, control de incendios, etc. Sin embargo, la generación de ozono no es lineal; es decir, reducir emisiones de sus precursores no necesariamente produce el efecto de disminuir la concentración de ozono.
Por ello, aquí se revisará la implicación de las estrategias de control de emisiones en las concentraciones ambientales de ozono, para poder actuar de forma eficiente y contribuir en la mejora del ambiente. Revisaremos el inventario de emisiones, la reactividad atmosférica y el cambio en las proporciones de NOx/COV por reducción de emisiones, distinguiendo las reducciones de emisiones que conlleven a la reducción de ozono en una zona urbana.
Contaminante es toda aquella sustancia o energía que, al incorporarse a algún elemento del ambiente (aire, agua, suelo) y en concentración considerable, puede afectar a la salud, los materiales o ecosistemas.
Por su origen, los contaminantes pueden ser primarios o secundarios.
En la siguiente imagen interactiva puedes explorar algunos de estos contaminantes.
El NO2 se fotoliza para generar un oxígeno radical que reacciona con una molécula de oxígeno para producir ozono.
En la siguiente imagen interactiva puedes explorar más acerca del ozono.
En el caso de las ciudades, la concentración de O3 se ve exacerbada por la participación de los COV que oxidan al NO para generar NO2.
Por lo anterior, si se desea reducir el ozono se deben reducir tanto los NOx como los COV. Los COV se miden en la atmósfera como compuestos orgánicos no metano (NMHC).
En la siguiente imagen interactiva puedes revisar algunos de los efectos de los contaminantes en la salud humana.
La calidad del aire en una región depende de las emisiones y de la meteorología.
También, la topografía posee influencia en la calidad del aire, ya que el terreno complejo induce flujos como fumigación vertical y confluencias locales, lo cual puede acumular los contaminantes en ciertas partes del valle o transportarlos a regiones cercanas, en donde no hay emisiones.
Según De Foy et ál. (2006), se pueden tener concentraciones de ozono en el sur de la ciudad, cuando se tiene viento del norte durante varias horas del día, generándose una zona de convergencia en el sur. El ozono en el norte se puede explicar por vientos que vienen del este y del sur, lo cual transporta los precursores hacia el norte, generando una línea de convergencia al centro norte. El ozono sobre la ciudad se puede incrementar cuando se tiene un sistema de alta presión estacionado sobre la meseta central, ocasionando vientos de baja magnitud y calma, así como cielo despejado, promoviendo los procesos fotoquímicos, lo cual hace que se incremente el ozono en la ciudad por acumulación de precursores. Lo anterior lo podemos observar en la siguiente imagen.
De Foy, B. (2006). Atmospheric Chemistry and Physics [ventilación de la cuenca de la Ciudad de México y penacho urbano] [esquema]. Tomado de https://www.atmos-chem-phys.net/6/2321/2006/acp-6-2321-2006.pdf
Los contaminantes que sirven para evaluar la calidad del aire en una ciudad se llaman contaminantes criterio y son el ozono, dióxido de azufre, monóxido de carbono, dióxido de nitrógeno, partículas y plomo.
En un inventario se pueden incluir las características de las fuentes, la ubicación, la cantidad y tipos de contaminantes. Los contaminantes emitidos que puede considerar un inventario son los contaminantes criterio (SO2, NOx, CO, Pb), gases efecto invernadero (CH4, N2O5, CFC, CO2) y tóxicos (benceno, arsénico, formaldehido).
● Ayudan a identificar problemas de contaminación atmosférica.
● Determinan las necesidades de reducción de emisiones para obtener las metas ambientales.
● En modelación de calidad del aire, empleando modelos de dispersión y transformación de contaminantes.
● En la evaluación de la efectividad de una medida de control de emisiones.
Instrumento de gestión de calidad del aire, en donde se muestra una lista de las cantidades y tipos de contaminantes que se emiten a la atmósfera de todas las fuentes, en un área específica y durante un periodo de tiempo especificado.
Un inventario de emisiones (IE) sirve para la gestión de la calidad del aire, ya que muestra las emisiones de los diversos contaminantes emitidos por la industria, suelos, vehículos, servicios, casas y vegetación, de una región en un periodo de tiempo.
|
Un método para estimar las reducciones de emisiones que se requieren para reducir las concentraciones de ozono es el que se basa en el enfoque de modelado cinético empírico (Empirical Kinetic Modeling Approach, EKMA). El EKMA muestra las isopletas de ozono en función de las concentraciones de COV y de NOx.
A continuación, se describe cómo se puede interpretar el diagrama de EKMA con base en las concentraciones de NOx y COV, y se describen los efectos debidos a reducciones de NOx o COV.
Si el ozono máximo en una ciudad se encuentra en la región en donde la relaciones COV/NOx son menores de 8/1, reducir las emisiones COV (de A a B) hace que se disminuya la concentración de ozono
Tomado de Finlayson & Pitts. (1986). Empirical Kinetic Modeling Approach (EKMA), p. 611.
En la región donde COV/NOx son menores de 4/1, disminuir el NOx (de B a C) hace que se incremente el ozono.
Tomado de Finlayson & Pitts. (1986). Empirical Kinetic Modeling Approach (EKMA), p. 611.
En la región donde la COV/NOx es mayor a 8/1, reducir NOx (de D a F) hace que se reduzca el ozono.
Tomado de Finlayson & Pitts. (1986). Empirical Kinetic Modeling Approach (EKMA), p. 611.
No se tienen cambios significativos en la concentración de ozono, al disminuir los COV (de B a A) en la región en donde la relación COV/NOx es mayor de 15/1.
Tomado de Finlayson & Pitts. (1986). Empirical Kinetic Modeling Approach (EKMA), p. 611.
A la región descrita en b) se le conoce como atmósfera sensible a COV y la descrita en d) es sensible a NOx.
Tomado de Finlayson & Pitts. (1986). Empirical Kinetic Modeling Approach (EKMA), p. 611.
Principios de la formación de ozono:
A partir del inventario de emisiones de la Ciudad de México se puede conocer en qué región del diagrama de EKMA se localiza la atmósfera de tal lugar.
Con base en la siguiente tabla, observa los valores de las emisiones totales de NOx y de COV (anotar los valores) y calcular la relación COV/NOx.
Tabla 1 del Inventario de emisiones de la CDMX para el 2018 (p. 21). http://www.aire.cdmx.gob.mx|x/descargas/publicaciones/flippingbook/inventario-emisiones-cdmx-2018/Inventario-de-emisiones-cdmx-2018.pdf
A partir de la sensibilidad al ozono y de disminuir el inventario de emisiones en la proporción de 20 %, 50 % y 83 % a las emisiones de NOx y COV de, exclusivamente, las fuentes móviles, se obtiene la nueva relación. Con la nueva relación, y en el diagrama de EKMA, identifica qué pasa con la concentración de ozono.
A partir de los ejercicios anteriores se puede identificar el efecto de un control de emisiones parcial en las concentraciones de ozono en la ciudad.
De Foy, B., Varela, J. R., Molina, L. T. & Molina, M. J. (2006). Rapid ventilation of the México City basin and regional fate of the urban plume. Atmospheric Chemistry and Physics, 6(8), 2321-2335.
Finlayson, B. J. & Pitts, J. N. (1986). Atmospheric chemistry. Fundamentals and experimental techniques. U.S. Department of Energy.
García, J. A. (2016). Protección ambiental del aire. Facultad de Química-UNAM.
Hobbs, P. V. (2000). Basic physical chemistry for the atmospheric sciences. Cambridge University Press.
Kinosian, J. R. (1982). Ozone-precursor relationships from EKMA diagrams. Environmental Science & Technology, 16(12), 880-883.
Bibliografía
García, A., Jazcilevich, A., Ruiz, L. G., Torres, R., Suárez, M. & Reséndiz, N. A. (2009). Ozone weekend effect analysis in México City. Atmósfera, 22(3), 281-297.
Song, J., Lei, W., Bei, N., Zavala, M., Foy, B. D., Volkamer, R. & Molina, L. T. (2010). Ozone response to emission changes: modeling study during the MCMA-2006/MILAGRO Campaign. Atmospheric Chemistry and Physics, 10(8), 3827-3846.
Documentos electrónicos
Secretaría del Medio Ambiente (Sedema). (2012). Inventario de emisiones contaminantes y de efecto invernadero. 2012. Zona metropolitana del Valle de México. http://www.aire.cdmx.gob.mx/default.php?opc=Z6BhnmI=&dc=Zg==
Secretaría del Medio Ambiente (Sedema). (2018). Inventario de emisiones de la zona metropolitana del Valle de México 2018. http://www.aire.cdmx.gob.mx/descargas/publicaciones/flippingbook/inventario-emisiones-cdmx-2018/Inventario-de-emisiones-cdmx-2018.pdf
Cómo citar
García, J. A. (2023). Control de ozono en la ciudad. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAIEED/Centro de Ciencias de la Atmósfera-UNAM. (Vínculo)
