Partículas en suspensión
Esto es bueno, porque los niveles elevados de ozono pueden ser perjudiciales para la salud y la vegetación. Además, como puede absorber radiación infrarroja, puede influir en el clima contribuyendo al conocido efecto invernadero.
Es un hecho ampliamente reconocido que los niveles de ozono aumentan en zonas contaminadas como Europa Occidental. También tenemos buenas razones para creer que el ozono troposférico aumenta en la mayoría de las zonas, incluidas las regiones más remotas, alejadas de las fuentes contaminantes.
Una pequeña fracción del ozono troposférico en nuestras latitudes procede de la estratosfera, especialmente en invierno y primavera. El resto se produce por reacciones químicas en la propia troposfera. Los principales ingredientes de esta producción son:
La mayoría de estos gases tienen una permanencia relativamente corta en la troposfera, entre unas horas y varias semanas. Por lo tanto, la producción de ozono se produce principalmente en las proximidades de las fuentes de contaminación.
Un importante mecanismo de pérdida de ozono es la fotólisis, seguida de la reacción del átomo producto con el vapor de agua. Como consecuencia de esta destrucción, se crean radicales hidroxilo (OH). Estos radicales desempeñan un papel fundamental en la química troposférica como principal oxidante de un gran número de partículas. En esta compleja química intervienen cientos de especies y reacciones químicas.
Concentración de ozono
El ozono, el oxígeno triplete (O3), se forma a partir de la reacción entre el dioxígeno (O2, la molécula normal de oxígeno) y un oxígeno singlete (O, átomo de oxígeno) en presencia de una molécula de tercer cuerpo capaz de absorber el calor de la reacción. El oxígeno singlete (O), altamente reactivo y de corta vida, puede generarse mediante la fotólisis del dióxido de nitrógeno (NO2) o la ionización del O2. El ozono de fondo está presente tanto en la estratosfera como en la troposfera. El ozono estratosférico se concentra en la tropopausa (~entre 8 y 15 km sobre el suelo), una región que recibe el nombre de capa de ozono. El ozono estratosférico recibe el sobrenombre de ozono «bueno», porque la capa de ozono desempeña un papel vital en la absorción de los rayos ultravioleta (UV-B) que son nocivos para los seres vivos de la Tierra. Dado que el contacto directo con el ozono a nivel del suelo puede causar daños a las células, órganos y especies vivas, incluidos los seres humanos, los animales y las plantas, el ozono troposférico o a nivel del suelo recibe el sobrenombre de ozono «malo».
La formación de ozono depende de la intensidad solar que está directamente asociada a la temperatura atmosférica. Irónicamente, al disminuir las concentraciones ambientales de aerosoles carbonosos (por ejemplo, hollín), emitidos por la combustión de carbón, gasóleo y biomasa, aumenta la visibilidad atmosférica y, en consecuencia, la intensidad solar, lo que favorece la formación de ozono. Y lo que es más importante, las partículas (por ejemplo, partículas con un diámetro aerodinámico igual o inferior a 2,5 μm, denominadas PM2,5) pueden servir de sumidero de radicales libres responsables de la formación de ozono. Un estudio reciente demostró que una reducción del 40 % de las PM2,5 entre 2013 y 2017 en la llanura del norte de China era en parte responsable de una tendencia al aumento del ozono (de 1 a 3 ppb al año) durante el periodo 2013-2017 observada en los conglomerados de megaciudades del este de China (6).
Protección contra el ozono
Además, presentamos los resultados de dos campañas aéreas anteriores, que son UTOPIHAN (Ozono en la Troposfera Superior: Procesos que Involucran HOx y NOx) en 2003/04 y HOOVER (HOx sobre Europa) en 2006/07.
Además del régimen químico, los procesos de producción y pérdida de O3 son herramientas eficaces para explorar la fotoquímica relevante. Como ya se ha demostrado en la reacción (R1), el O3 se forma a través de la fotólisis del NO2. Bajo el supuesto de estado fotoestacionario, este término puede equipararse con las reacciones de NO con O3, HO2 y RO2 (Hosaynali Beygi et al., 2011). El término resultante para la producción de O3 P(O3) se muestra en la Ecuación (2) (Tadic et al., 2020; Leighton, 1971); j(NO2) es la frecuencia de fotólisis del NO2, y k describe la constante de velocidad respectiva (para este trabajo tomada del IUPAC Task Group on Atmospheric Chemical Kinetic Data Evaluation, 2021).
Asumimos que RzO2 (la suma de todos los radicales peroxídicos) está representado por CH3O2, lo que nos parece una aproximación razonable cuando comparamos el CH3O2 modelado con el RO2 global modelado como se muestra en la Fig. S1 del Suplemento, ejemplarmente para la campaña BLUESKY. Por encima de 800 hPa, el CH3O2 representa más del 90 % del RO2. Por debajo de 800 hPa, sigue representando más del 70 % de media. El CH3O2 puede calcularse mediante la Ecuación (3) derivada por Bozem et al. (2017a). Mientras que el modelo puede simular las proporciones de mezcla de CH3O2, la Ec. (3) es necesaria cuando se trabaja con datos experimentales, ya que el CH3O2 no se midió directamente.
Agotamiento del ozono estratosférico
La contaminación fotoquímica se forma a partir de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx, donde NOx = NO + NO2) y de compuestos orgánicos volátiles (COV) y monóxido de carbono (CO) en presencia de luz solar. El ozono (O3), el principal contaminante fotoquímico, se transporta a través de las fronteras nacionales (Simpson y Malik, 1996). Las emisiones de NOx son responsables de gran parte de la formación de ozono que se produce en las zonas rurales. En las regiones más densamente pobladas, en particular cerca de las ciudades, la formación de ozono se ve favorecida por las emisiones de COV. Los COV proceden principalmente del tráfico rodado y del uso de productos que contienen disolventes orgánicos. Los NOx y el CO se emiten sobre todo en los procesos de transporte y combustión. Una vez liberados, estos precursores son dispersados por el viento y las turbulencias atmosféricas. Los contaminantes recién emitidos se mezclan con otros contaminantes, incluido el ozono, presentes en el aire de fondo, y se produce un complicado proceso de reacciones químicas y dilución continua.
La reacción fotoquímica en cadena que produce el ozono se inicia y se mantiene gracias a los radicales reactivos. En el proceso se forman otros productos como nitrato de acetilo peroxilado, ácido nítrico, aldehídos, ácidos orgánicos, partículas y muchas especies radicales de vida corta. Los COV actúan como «combustible» en el proceso de formación de ozono, mientras que el NO funciona más o menos como catalizador, ya que se regenera en el proceso de formación. El NO también desempeña un papel clave en la regeneración de los radicales reactivos y en el progreso posterior de las reacciones. En el Recuadro 1 se muestra la fotoquímica simplificada del ozono, que en realidad es un proceso complejo y muy poco lineal.