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Ozono


¿Qué es el ozono?

El ozono (O3) es un gas cuya molécula está compuesta por tres átomos de oxígeno, y que está formada por disociación de los dos átomos que componen el gas de oxígeno (O2). Cada átomo de oxígeno liberado se une a otra molécula de oxígeno gaseoso, formando moléculas de ozono.

Es uno de los gases constituyentes de la atmósfera, desempeñando algunas tareas fundamentales. Se encuentra mayoritariamente en la estratosfera (90%), con una máxima concentración entre los 19 y los 35 kilómetros de altura, en lo que se conoce como la capa de ozono, variando según la época y el lugar geográfico.

Sin embargo, también podemos encontrar ozono en la troposfera, convirtiéndose en un problema para el medio ambiente y la salud.

A diferencia de otros gases de efecto invernadero, que tienen una concentración más bien uniforme en la atmósfera, el ozono tiene un tiempo de vida corto y su distribución está controlada por procesos fotoquímicos en su producción y destrucción, y dinámicos (transporte por vientos estratosféricos). Además, se origina íntegramente dentro de la atmósfera, no siendo emitido a ésta como en el caso de otros gases de efecto invernadero.

Propiedades del ozono

A temperatura y presión ambientales, el ozono es un gas inestable y, generalmente incoloro, aunque en grandes concentraciones puede volverse azulado. Presenta un olor característico, el cual puede detectarse durante episodios de tormentas eléctricas.

Además, es un oxidante fuerte, muy fácil de producir e igualmente frágil y fácil de destruir. Altamente reactivo con muchos compuestos químicos, y explosivo en pequeñas cantidades.

Su estabilidad es mayor en el aire que en soluciones acuosas, con un tiempo de vida media en agua de 20 minutos y de 12 horas en el aire.

¿Cómo se mide el ozono atmosférico?

Las medidas más comunes del ozono en la atmósfera son, por un lado, el ozono total, que expresa la cantidad total de ozono contenido en la columna vertical de la atmósfera sobre la superficie terrestre y, por otro lado, el perfil vertical del ozono, que indica los niveles de ozono en función de la altura o presión atmosférica.

La medida del ozono total se expresa en Unidades Dobson (UD). Ésta se define como el espesor, en unidades de 10-5 m, que ocuparía la columna de ozono si se comprimiera en una capa de densidad uniforme en unas condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 0°C). Una UD equivale a una columna de ozono que contiene 2,69 x 1020 moléculas de ozono por metro cuadrado.

Los valores de ozono total oscilan entre 200 UD y 500 UD, con un promedio mundial de 300 UD.

Por su parte, el perfil vertical de ozono puede determinarse a cualquier nivel de la atmósfera y se mide como la presión parcial ejercida por el ozono. La unidad de medida más habitual es el milipascal.

Ozono en la estratosfera

Aunque el ozono aparece desde la superficie terrestre hasta una altura aproximada de 70 km, la gran mayoría (alrededor del 90%) se encuentra en la estratosfera. Es el ozono estratosférico.

El ozono se encuentra de forma natural en la estratosfera, formando la denominada capa de ozono. La región con una mayor concentración de este gas también se conoce como ozonosfera (alrededor de los 25 km de altura).

El ozono estratosférico se crea cuando la radiación ultravioleta (UV) del Sol rompe las moléculas de oxígeno en dos átomos de oxígeno. Estos átomos, altamente reactivos, reaccionan con otras moléculas de O2 y forman el ozono. Este proceso se conoce con el nombre de fotólisis.

A su vez, el ozono también es destruido por acción de la propia radiación UV procedente del Sol, ya que la radiación con una longitud de onda inferior a 290 nm hace que se desprenda un átomo de oxígeno de la molécula de ozono.

De esta forma, se tiene un equilibrio dinámico en el que hay una formación y destrucción continua de ozono en la estratosfera, consumiéndose la mayoría de la radiación UV (inferior a 290 nm) proveniente del Sol. Como resultado, la concentración de O3 estratosférico permanece relativamente constante.

No obstante, la cantidad de ozono en la estratosfera puede variar con la latitud, la época del año e incluso de día en día.

La mayor parte del ozono se genera sobre el ecuador gracias a un mayor nivel de incidencia solar, siendo desde ahí transportado por los vientos a latitudes mayores.

Normalmente, los mayores valores de ozono en la estratosfera se dan sobre el Ártico canadiense y Siberia, mientras que los valores más bajos están alrededor del ecuador.

La variación estacional más conocida es la que se produce en el invierno y la primavera austral (de julio a octubre) cuando se produce un debilitamiento considerable de la capa de ozono sobre la Antártida. Se conoce como agujero de ozono, y también puede darse, aunque más debilitado, en la región Ártica durante el invierno boreal.

Por último, las condiciones meteorológicas también pueden provocar variaciones diarias reseñables.

El ozono estratosférico es esencial para la vida y la salud, conociéndose con el nombre de “ozono bueno”.

Por un lado, actúa como el principal filtro de la radiación UV del Sol, impidiendo su paso hasta la superficie terrestre. Sin la capa de ozono, esta radiación resultaría muy perjudicial para los seres humanos, los animales y las plantas. Se incrementarían los casos de cáncer de piel, cataratas, y el sistema inmunológico se vería afectado.

Igualmente, la absorción de radiación UV por el ozono desempeña un papel fundamental en el control de la temperatura de la atmósfera terrestre. El ozono es el responsable del aumento de la temperatura en la estratosfera (aumenta con la altura en esta capa).

Destrucción de la capa de ozono

En una atmósfera no contaminada existiría un balance ideal entre el ozono estratosférico producido y el que de destruye. No obstante, en las últimas décadas se ha visto desequilibrado a favor de la destrucción. Es lo que se conoce como el problema del agujero de la capa de ozono.

La destrucción de la capa de ozono está producida fundamentalmente por las emisiones de compuestos clorofluorocarbonados (CFCs), empleados en aerosoles, agentes espumantes, limpiadores industriales y en refrigeración. Estas sustancias que destruyen el ozono estratosférico se conocen con el nombre de sustancias agotadoras de la capa de ozono (SAO), y son de origen exclusivamente artificial.

Estos compuestos tienen una gran persistencia en la atmósfera (hasta 200 años), alcanzando con el paso del tiempo la estratosfera, y atacando la capa de ozono gracias a un proceso fotoquímico.

Al incidir la luz solar sobre la molécula de CFC, se libera un átomo de cloro con un electrón libre (radical cloro), muy reactivo y con alta afinidad por el ozono, de forma que rompe la molécula de O3.

Se empezó a tener constancia a partir de la década de los 70 y, especialmente, en la década de los 80, cuando se empezaron a acumular pruebas de la aparición de un agujero en la capa de ozono sobre la Antártida a finales del invierno austral, con una desaparición de hasta el 50% del ozono habitual en la estratosfera.

Gracias a las bajísimas temperaturas que se dan en la estratosfera sobre la Antártida durante las noches de invierno se favorece la formación de partículas de hielo denominadas nubes polares estratosféricas. Estas nubes actúan como catalizador de reacciones en las que se genera cloro. Al llegar la primavera, la luz solar rompe el cloro molecular de forma que los correspondientes átomos de cloro reaccionan con el ozono provocando su destrucción.

Este fenómeno, aunque en menor medida, también se daba sobre el Polo Norte durante el invierno boreal. Esta menor disminución se debe a que aquí las temperaturas no son tan frías como en la estratosfera antártica.

Se observó que este deterioro de la capa de ozono se repetía cada año durante el comienzo de la primavera, seguido de una recuperación en verano y otoño. No obstante, cada año se recuperaba menor proporción de la capa de ozono. De hecho, el ritmo de agotamiento de la capa era tal que tuvieron que tomarse medidas de forma urgente.

A raíz del acuerdo firmado en el Protocolo de Montreal (1987) se estableció un control estricto en la producción y el consumo de sustancias agotadoras del ozono, de manera que actualmente la fabricación y uso de CFCs está prohibida en la Unión Europea.

Gracias a estas medidas, los niveles de ozono se estabilizaron en la última década del siglo XX, y han empezado a recuperarse desde principios de siglo. Se espera que esta recuperación continúe, de forma que puedan alcanzarse los niveles anteriores a 1980 para 2075. Es un proceso lento debido a larga permanencia de estos contaminantes en la atmósfera.

Se calcula que, si no se hubiesen llevado a cabo estas acciones, en 2065 se habrían destruido dos terceras partes de la capa de ozono y además el agujero sería permanente durante todo el año.

Ozono en la troposfera

El ozono ambiental que reside en la troposfera, entre la superficie y la tropopausa (a unos 18 km de altura) se denomina ozono troposférico u “ozono malo”. Sus mayores concentraciones se localizan en los primeros metros de altura en la baja troposfera, el denominado ozono superficial.

En este caso se trata de un contaminante secundario, formado gracias a reacciones fotoquímicas entre contaminantes primarios, principalmente óxidos de nitrógeno (NOX) y compuestos orgánicos volátiles (COVs), y en menor medida, monóxido de carbono (CO). Por tanto, no se emite directamente a la atmósfera.

Los óxidos de nitrógeno se generan en los procesos de combustión, siendo el tráfico rodado su principal fuente de emisión. Los compuestos orgánicos volátiles se generan a partir de diversas actividades: transporte por carretera, pintura, refinerías, limpieza en seco de tejidos, y otras actividades que implican el uso de disolventes. Los COVs también tienen su origen natural en procesos biogénicos de la vegetación.

Todas estas sustancias químicas mencionadas, emitidas de forma natural o artificial, reaccionan en la troposfera por acción de la luz solar, y provocan la formación de ozono.

La velocidad y el grado de formación del ozono en la troposfera se ven muy incrementados con el aumento de la radiación solar, las emisiones antropogénicas de sus precursores y el ciclo biológico de emisiones biogénicas de COVs.

Por ello, al ser la luz solar uno de los factores determinantes para su formación, es en la época estival cuando se dan las mayores concentraciones de ozono troposférico. Además, los niveles son mayores en las horas centrales del día y disminuyen considerablemente por la noche. Del mismo modo, sus niveles son más elevados en zonas del sur de Europa que en países nórdicos.

Una característica importante que lo diferencia de otros contaminantes es que sus niveles son superiores en las periferias de las grandes urbes y en las zonas rurales que en el centro de las ciudades. Esto se debe a que la reacción fotoquímica requiere una cierta distancia para generar el O3 a partir de sus precursores. Además, una vez formado, y con altos niveles de NO (sobre las ciudades), se consume rápidamente al reaccionar con el NO para dar NO2. Por tanto, aunque resulte paradójico, el tráfico ayuda a formarlo y a su vez, destruirlo.

Es por ello por lo que las mayores concentraciones de ozono troposférico se dan en zonas poco contaminadas, con escaso tráfico, donde el ozono que se genera gracias al transporte atmosférico desde zonas más contaminadas no encuentra NO que lo pueda consumir.

Impacto del ozono troposférico

El ozono troposférico es el principal contaminante fotoquímico. Actúa como un contaminante que altera la calidad del aire, tóxico para la salud humana, y a su vez se trata de un gas de efecto invernadero, contribuyendo al calentamiento global.

En primer lugar, el ozono en la troposfera se considera como un gas de efecto invernadero. Esto quiere decir que contribuye, junto a otros gases (CO2, N2O, CH4), a un aumento de la temperatura del planeta. Su presencia en la troposfera altera el balance radiativo entre la radiación solar entrante y la radiación saliente, al retener parte de la radiación infrarroja procedente de la superficie. Por tanto, juega un papel determinante en el calentamiento global.

Además, su presencia es clave para la formación del esmog fotoquímico. Se denomina así a la contaminación del aire, principalmente de áreas urbanas, por ozono originado por reacciones fotoquímicas y por sus contaminantes precursores (NOx y COVs). El resultado es un color oscuro del cielo en su parte más superficial y con aspecto brumoso sobre las ciudades. Su presencia es habitual en periodos anticiclónicos, sin precipitaciones ni viento que ayuden a dispersar los contaminantes.

El ozono también tiene efectos negativos sobre la vegetación. Deteriora las hojas de los árboles y plantas y reduce el rendimiento de los cultivos al interferir en la capacidad de almacenar y producir nutrientes. De esta forma, aumenta la susceptibilidad de las plantas a plagas, otros contaminantes y a las inclemencias del tiempo. También reduce la actividad fotosintética de las plantas.

Por último, también provoca el deterioro de una cantidad importante de materiales de uso común como el naylon, el caucho, los plásticos y los metales.

El único aspecto positivo del ozono troposférico es su contribución para remover otros contaminantes emitidos por la actividad humana como son el metano, el monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno.

En conclusión, los efectos positivos del ozono estratosférico contrastan enormemente con los efectos perjudiciales del ozono en niveles inferiores de la atmósfera.

¿Qué efectos produce en la salud?

El ozono contribuye a un empeoramiento de la calidad del aire que respiramos. Se trata de un problema en parte de carácter local, pero también de magnitud global, ya que, como hemos visto, los contaminantes precursores pueden viajar largas distancias.

Se trata de un potente oxidante que a concentraciones elevadas puede provocar efectos no deseables en la salud humana, afectando principalmente al aparato respiratorio y al sistema cardiovascular.

  • Irritación del sistema respiratorio. Se puede manifestar en forma de tos, irritación de la garganta y las mucosas o escozor en los ojos.
  • Reducción de la función pulmonar. Hace más difícil la respiración profunda, especialmente si se realizan ejercicios o trabajo en el exterior.
  • Puede empeorar el asma u otras enfermedades pulmonares crónicas, reduciendo la capacidad del sistema inmunológico para proteger al sistema respiratorio.
  • Se relaciona con un aumento de la mortalidad diaria y por accidente cardiovascular.

Los efectos en la salud dependen de la concentración de ozono en el aire respirado, del tiempo de exposición, de la vulnerabilidad de cada persona y del grado de actividad física realizado.

Teniendo en cuenta la variación en los niveles de ozono a lo largo del día por efecto del tráfico y la radiación solar, es importante tener en cuenta que a primera hora de la mañana es cuando mejor calidad del aire suele tenerse.

Existen ciertos grupos de personas potencialmente más sensibles a la acción del ozono: los ancianos, los niños menores de 6 años, y las personas con patologías respiratorias o cardiovasculares previas. Igualmente deben extremar las precauciones las mujeres embarazadas, los pacientes oncológicos y, en general, las personas inmunodeprimidas.

También hay que considerar que el ozono puede reaccionar con otros componentes orgánicos (algunos aldehídos y otros ácidos orgánicos) en la troposfera produciendo contaminantes de corta duración pero que resultan altamente irritantes y perjudiciales para la salud.

Por último, como medidas más sencillas y, a su vez, eficaces, para reducir la contaminación por ozono tendríamos:

  • Disminución del tráfico rodado
  • Ahorro de energía
  • Uso de vehículos menos contaminantes, transporte público y energías limpias

Valores legislados para el ozono

En España, el valor objetivo del O3 para la protección de la salud humana es de 120 µg/m3 para la máxima diaria de medias móviles octohorarias, que no debe superarse más de 25 días de promedio en tres años civiles.

También existen los umbrales de información (promedio horario de 180 µg/m3) y de alerta (promedio horario de 240 µg/m3).

Sin embargo, la Organización Mundial de la Salud (OMS) mantiene desde 2005 su recomendación en mantener la concentración de O3 por debajo de los 100 µg/m3.