Ozon troposfèric

L'ozon troposfèric ( O3 ), també conegut com a ozon superficial, és un gas traça present en la troposfera (el nivell més baix de l'atmòsfera de la Terra ), en una concentració promig de 20 a 30 parts per mil millons en volum (ppbv), que poden aplegar a superar les 100 ppbv en àrees contaminades. L'ozon també forma part de la composició de l'estratosfera, a on es troba en major concentració, especialment en una franja coneguda com capa d'ozon (2 a 8 parts per milló d'ozon) situada entre 20 i 30 quilómetros per damunt de la superfície de la Terra. L'ozon troposfèric, per les seues propietats fortament oxidants es considera una substància contaminant, causant de determinades malalties pulmonars, mentres que l'ozon de l'estratosfera té importants beneficis per als sers vius, ya que actua com a filtre solar que elimina la major part de la radiació ultravioleta provinent del Sol. És per això que, des del punt de vista migambiental, són tractats de forma diferenciada, encara que químicament siguen iguals sobre les seues propietats, puix en abdós casos es tracta de la mateixa molècula.

Nivells estacionals d'ozon troposfèric, en unitats Dobson, durant el periodo 1979 a 2000. Entre juny i agost, la producció fotoquímica d'ozon provoca concentracions molt elevades en la costa este d'Estats Units i China.

Orige i impacte ambiental

El ozon troposfèric és un component natural de la troposfera, a on es troba generalment en concentracions baixes. L'ozon troposfèric natural pot produir-se per les descàrregues elèctriques durant les tormentes, aixina com de l'ozon estratosférico que en ocasions descendix a la superfície terrestre o a partir de terminades reaccions fotoquímiques, en les que intervenen òxits de nitrogen, NOx i monòxit de carbono, CO produïts per la combustió i composts orgànics volàtils (COV), que poden procedir de fonts naturals. Estos composts es coneixen  com els precursors de la formació d'ozon. En una atmòsfera no alterada per l'activitat humana, estes reaccions formen part del cicle del carbono en transformar els COV que s'emeten de forma natural (per la vegetació, l'activitat biològica de les zones humides, etc.) en diòxit de carbono i vapor d'aigua.

Les reaccions fotoquímiques i químiques que involucren a l'ozon impulsen molts dels processos químics que ocorren en la troposfera durant el dia i la nit i té una important relació en la formació del smog fotoquímic, característic de les grans ciutats en molt tràfic. Els seus nivells han aumentat significativament des de la revolució industrial, ya que els gasos NOx i els COV són alguns dels subproductes de la combustió. En més calor i llum solar en els mesos d'estiu, es forma més ozon, per lo que les regions a sovint experimenten nivells més alts de contaminació en els mesos d'estiu. Estos és conseqüència de que una de les espècies iniciadoras de la formació de l'ozon en la troposfera és la presència del diòxit de nitrogen, NO₂, que és fotolizado per la radiació ultravioleta de λ > 280 nm, formant monòxit de nitrogen i oxigen atòmic:

$\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{h}\mathrm{v}(\mathrm{\lambda }>280\mathrm{n}\mathrm{m})}{\to }\mathrm{N}\mathrm{O}+\mathrm{O}$

Abdós espècies són molt reactives. L'oxigen atòmic reacciona en l'oxigen molecular de l'aire, O₂, formant ozon:

$\mathrm{O}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

al mateix temps que el monòxit de nitrogen reacciona en l'ozon format, destruint-ho:

$\mathrm{N}\mathrm{O}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$

Estes tres reaccions constituïxen un cicle tancat en el que no es produïx ni guany ni pèrdua. Per un atre costat, ya que l'ozon és inestable, no permaneix molt temps a nivell del sol, descomponent-se en oxigen molecular i atòmic en presència de radiació ultravioleta (fotólisis o fotodisociación). La fotodisociación de l'ozon es produïx en llongituts d'ona inferiors a aproximadament 310–320 nanómetros.

$\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{h}\mathrm{v}}{\to }\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{O}$

Tot això fa que en condicions no afectades, o poc afectades per l'activitat humana, l'ozon troposfèric es mantinga a nivells de concentració suficientment baixos com para no supondre un problema per a la salut dels animals i les plantes. No obstant, en les atmòsfera urbanes o en les regions directament influenciades per les emissions antropogénicas, els alts nivells emesos d'òxits de nitrogen, NOx, produïts pel tràfic o atres processos de combustió, actuen com a catalisadors per a la formació d'ozon a partir dels COV, els nivells dels quals a la seua volta també s'eleven com a conseqüència de l'activitat urbana i industrial. D'esta manera, les concentracions d'ozon en la troposfera poden alcançar valors elevats, per damunt del fondo natural, constituint un problema de contaminació atmosfèrica. És dir, el ozon troposfèric pot ser considerat com un contaminant atmosfèric d'orige secundari quan es troba en concentracions anormalment altes; és dir, un contaminant que no és emés directament com a tal, sino que es forma quan uns atres contaminants (contaminants primaris) reaccionen en l'atmòsfera.

La presència en l'atmòsfera urbana de COV unit a l'alta concentració de NOx fa que el cicle de formació/destrucció del ozon troposfèric no es mantinga, ya que es produïx una cantitat adicional de NO₂ produïda per la presència de radicals orgànics lliures procedents dels hidrocarburs. Les reaccions adicionals que tenen lloc en presència de COV, tenen el seu orige en l'oxigen atòmic format per qualsevol de les reaccions anteriors. Per l'altíssima reactivitat de l'oxigen atòmic, les reaccions anteriors inicien una cadena de reaccions químiques en les que estan implicats radicals lliures hidroxilo, •OH, que es forma per reacció de l'oxigen molecular en el vapor d'aigua present en la troposfera:

$\mathrm{O}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\cdot \mathrm{O}\mathrm{H}+\cdot \mathrm{O}\mathrm{H}$

El radical hidroxilo, és molt reactiu i actua sobre els hidrocarburs (COV) presents en l'aire formant radicals orgànics que aumenten la concentració de NO₂.

$\mathrm{R}-\mathrm{H}+\cdot \mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\cdot \mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{R}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

$\cdot \mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{R}+\mathrm{N}\mathrm{O}⟶\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{R}\mathrm{O}\cdot$

Ademés d'este aument de el NO₂, que actua com a precursor de l'ozon, també es produïx ozon adicional a partir de fotorreaccions dels radicals peroxiorgànics, •OOR en l'oxigen de l'aire:

$\cdot \mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{R}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{h}\mathrm{v}}{\to }\mathrm{O}{\phantom{A}}_3+\mathrm{R}\mathrm{O}\cdot$

Tot això fa que en atmòsfera contaminades, pròximes les de zones urbanes o industrials, els nivells de ozon troposfèric siguen superiors a lo que seria d'esperar. S'ha estimat que l'ozon generat en la troposfera aplega a alcançar una vida mija de semanes, podent transportar-se a grans distàncies depenent de les condicions meteorològiques. D'esta manera, les concentracions d'este contaminant poden ser el resultat de la mescla de l'ozon generat a partir d'emissions locals, del format a partir de precursors emesos en zones lluntanes, inclús procedents d'un atre continent, de l'ozon transportat des de zones alluntades i també de les intrusions procedents de l'estratosfera. S'estima que entre un 10 i un 30% dels nivells d'ozon registrats en Europa occidental poden estar influenciats pel transport de precursors des d'atres continents. La cantitat d'ozon produïda a través d'estes reaccions en l'aire ambiente es pot estimar utilisant una relació de Leighton modificada. El llímit d'estos cicles interrelacionados que produïxen ozon és la reacció de •OH en Plantilla:Fquim2 per a formar àcit nítric en nivells alts de NOx. Si, en canvi, el monòxit de nitrogen (NO) està present en nivells molt baixos en l'atmòsfera (menys de 10 ppt aproximadament), els radicals peroxi (Plantilla:Fquim2 ) formats a partir de l'oxidació reaccionaran entre sí per a formar peròxit i no produiran ozon.

Efectes sobre la salut

L'ozon a nivell troposfèric té diversos efectes tòxics que afecten als organismes vius, inclosos els humans. A nivell d'una part per milló en volum, una exposició relativament prolongada, produïx irritament ocular i mal de cap i molèsties en les vies respiratòries superiors. Eixos efectes sobre les vies respiratòries poden ser especialment intensos en persones molt sensibles, afectant als pulmons i produint episodis d'asma. Exposicions més prolongades o a majors concentracions d'ozon en l'aire poden aplegar a causar edema pulmonar (encharcamiento del teixit pulmonar) que pot aplegar a ser fatal. Ademés, l'ozon genera radicals lliures en els teixits vius (animals o plantes) causants de la peroxidación de lípits, l'oxidació de grups sulfhidrilos (-SH) aixina com atres processos d'oxidació destructiva del teixit. ya que l'ozon troposfèric és un contaminant secundari que es forma a partir d'atres contaminants de l'aire, estos efectes sobre la salut poden vore's agravats per la presència dels seus precursors, òxits de nitrogen o restants d'hidrocarburs emesos pel tràfic. Senyes més recents sugerixen que l'ozon també pot tindre efectes nocius que poden conduir al desenroll de malalties cardíaques, diabetis tipo 2 i atres trastorns metabòlics.

Se sap que l'ozon, en concentracions comunes en l'aire urbà, té els següents efectes sobre la salut, els quals es mostren de forma detallada:

• Irritament del sistema respiratori, que causa tós, irritament de gola o una sensació molesta en el pit. L'ozon afecta a persones en afeccions respiratòries subjacents, com a asma, malaltia pulmonar obstructiva crònica (EPOC) i càncer de pulmó. També afecta a els qui passen molt temps actius a l'aire lliure.
• Reducció de la funció pulmonar, lo que dificulta la respiració profunda i vigorosa. La respiració pot tornar-se més ràpida i superficial de lo normal, i la capacitat de la persona per a realisar activitats vigorosas pot vore's llimitada. L'ozon provoca la constricció dels músculs de les vies respiratòries, lo que atrapa l'aire en els alvéolos, lo que provoca sibilancias i dificultat per a respirar.
• Agravament de l'asma. Quan els nivells d'ozon són alts, més persones en asma sofrixen atacs que requerixen atenció mèdica o l'us de medicaments. Una raó per a açò és que l'ozon aumenta la sensibilitat de les persones als alérgenos, lo que a la seua volta desencadena atacs d'asma.
• Major susceptibilitat a les infeccions respiratòries. Eixemples d'estes complicacions respiratòries inclouen bronquitis, emfisema i asma.
• Inflamació i dany al revestiment dels pulmons. En pocs dies, les cèlules danyades es desprenen i es reemplacen de forma similar a com es descama la pell despuix d'una cremada solar.

Estudis realisats en la década de 1990 varen dur a la conclusió de que l'ozon troposfèric pot dur a acurtar la vida, donant lloc a morts prematures en poblacions predispostes i vulnerables. Un estudi estadístic de 95 grans comunitats urbanes en Estats Units va trobar una associació significativa entre els nivells d'ozon i la mort prematura. L'estudi va estimar que una reducció d'un terç en les concentracions d'ozon urbà salvaria aproximadament 4000 vides a l'any (Bell et al., 2004). L'ozon troposfèric causa aproximadament 22 000 morts prematures a l'any en 25 països de l'Unió Europea. (OMS, 2008)

Vore també

• Química atmosfèrica
• Ozon
• Smog fotoquímic
• Troposfera