Introducción
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.
Ozono (O3)
NO2 + hν -> NO + O• (1)
O• + O2 -> O3 (2)
O3 + NO -> NO2 + O2 (3)
COV + NO -> NO2 + VOC’ (4)
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.
• 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.
Reconocer que la relación no lineal entre la concentración de ozono y precursores ayudará a identificar las reducciones de compuestos que conlleven a una mejora de calidad del aire.
Objetivo
Identificar la no linealidad entre el ozono y sus precursores mediante el diagrama de EKMA, para seleccionar medidas eficientes de control de ozono en la atmósfera.
Ozono y contaminación
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.
Ozono
El ozono es un contaminante secundario que depende de la concentración de sus precursores, que son los óxidos de nitrógeno (NOX) y los compuestos orgánicos volátiles (COV).
NO2 + hυ ⇒ NO + O•
O• + O2 ⇒ O3
O3 + NO ⇒ NO2 + O2
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.
NO2 + hυ ⇒ O· + NO donde los COV se representan como RH y NOx= NO + NO2
H2O + O· ⇒ 2OH
RH + OH ⇒ RO2· + H2O
RO2· + NO ⇒ NO2
O· + O2 ⇒ O3
Notar que: hay un punto al centro y lado del O, RO2 que representan que es una radical.
En resumen, quedaría:
NOx + COV+ hυ ⇒ O3 + COV’
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.
Calidad del aire e inventario de emisiones
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.
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.
¿Qué incluyen?
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).
Utilidad
● 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.
Inventario 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.
Aplicación
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.
Reducción de ozono
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.
Principios de la formación de ozono:
Con base en este diagrama EKMA se puede observar la relación no lineal que presenta la concentración de ozono en relación con sus precursores. En algunos casos se puede reducir, al reducir sus precursores, pero en otros se puede mantener constante o incluso incrementar.
Actividad 1. Obtén la relación NMHC/NOx en la Ciudad de México
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.
Actividad 2. ¿Cómo salvamos a la ciudad del ozono?
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.
Autoevaluación. Lo que he aprendido del comportamiento del 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.
Fuentes de información
- 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.
- 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.
- 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
Básicas
Complementarias
Bibliografía
Documentos electrónicos
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)