El ozono en la región más transparente durante la cuarentena

¿Por qué con menos coches, sin escuelas y menos gente circulando, el ozono en la Ciudad de México no baja? Más bien ha subido. Spoiler: la química y la meteorología juegan un papel muy importante.

La semana pasada la ciudad de México empezó a trabajar a “medio gas” debido a las medidas tomadas por autoridades y la sociedad civil ante la pandemia del COVID-19. Uno pensaría que con menos coches y actividades en general habría menos contaminación, y sin embargo los niveles de ozono alcanzaron su máximo registrado en 2020 apenas el miércoles 25 de marzo, ya con clases suspendidas y mucha gente haciendo “home office.” Esto me pareció muy curioso y me puse a pensar cómo se podía explicar.

Antes de entrar de lleno a las razones por las cuales el ozono se comportó así ante los cambios en la movilidad de la ciudad de México en plena pandemia, es importante resaltar y explicar por qué es relevante la molécula de ozono. El ozono (O3) es una molécula fundamental en la atmósfera por dos razones. La primera es su rol en la atmósfera alta, llamada estratósfera, tapando la entrada de radiación ultravioleta (UV) evitando que nos dañe, por eso al ozono estratosférico se le conoce coloquialmente como ozono bueno. La segunda razón por la que la molécula de ozono es importante es debido a que en megaurbes como Los Ángeles o Ciudad de México, más o menos a partir de la década los 80 o 90’s, empezaron a aumentar los niveles de ozono en la superficie. Dado que este ozono superficial en altas concentraciones es muy dañino para la salud, principalmente para las vías respiratorias, se le conoce como “ozono malo”.

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Esquema de la distribución vertical de ozono en la atmósfera. Recuperado de https://www.salamanca24horas.com/texto-diario/mostrar/866954/ozono-troposferico-ozono-malo

En la superficie el ozono es entonces un contaminante porque en altas concentraciones hace daño respirarlo, y específicamente es clasificado como contaminante secundario. Los contaminantes secundarios son aquellos que NO son emitidos directamente por actividades humanas o alguna otra fuente. El ozono se forma a través de reacciones químicas en la atmósfera con la luz del sol como ingrediente principal.

La luz es tan importante para el ozono que la concentración de ozono durante el año depende principalmente de las variación en la radiación solar. Por ejemplo, el ozono tiene un ciclo estacional fuerte en la ciudad de México ya que los valores mínimos se alcanzan en invierno (en sincronía con el mínimo de radiación solar) y los máximos en primavera (con los máximos de radiación solar). Así mismo, el ozono se encuentra en concentraciones bajas durante la noche, y llega a un máximo a media tarde.

También la meteorología juega un rol importante ya que determina cómo se distribuyen los contaminantes, incluído el ozono, en la cuenca del valle de México. Diversos autores como Foy y colegas (2008) encontraron que hay ciertos patrones de viento dominantes en la cuenca que ventilan o atrapan el aire en ciertas partes. Un ejemplo muy claro son los sistemas meteorológicos conocidos como anticiclones, que están relacionados con altas presiones superficiales, viento débil y muy pocas nubes, lo que influye mucho en el transporte de los contaminantes y su química. Durante días con anticiclón, los gases y partículas tienden a aumentar sus concentraciones.

Pero si bien la radiación y la meteorología importan, seguro también las emisiones de los coches importan ¿no? Pues sí, pero la relación de las emisiones con la concentración de ozono no es directa. Veamos por ejemplo el ciclo semanal de diferentes contaminantes en la Ciudad de México.

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Figura 2. Ciclos semanales (promedios diarios) de concentraciones los contaminantes criterio para diferentes períodos.

El ozono (arriba a la derecha, de color verde) es el único contaminante que sube los domingos, cuando las emisiones de la ciudad son menores. ¿Por qué? Primero hay que regresar a la formación de ozono, que dijimos depende fundamentalmente de la luz solar. El ozono se forma principalmente por la destrucción de unas moléculas llamadas óxidos de nitrógeno (NOx). El principal sector responsable de las emisiones de NOx es el transporte, específicamente los automóviles. Así que uno podría pensar que menos coches, menos NOx, menos ozono ¿no? Pero resulta que la química no es tan sencilla, ya que en la química del ozono también juegan compuestos con carbono, conocidos como compuestos orgánicos volátiles (hydrocarbons), que se emiten por otras fuentes ajenas al transporte. De esta manera tenemos tres factores para la producción de ozono: la luz, los NOx y los compuestos orgánicos. Para evaluar cómo cambios en las emisiones de NOx o compuestos orgánicos afectan al ozono, se usan diagramas como el siguiente:

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Figura 3. Diagrama de concentración de ozono (contornos) donde el eje de las abscisas corresponde a la emisión de óxidos de nitrógeno y el de las ordenadas a los compuestos orgánicos.

Este diagrama muestra la concentración de ozono para distintas emisiones de NOx y de compuestos orgánicos. Las pendientes de las curvas de concentración de NOx son muy particulares, a mí me costó mucho entenderlas. Hagamos el siguiente experimento mental en la Ciudad de México. Stephens y colegas. (2008) encontraron que el ambiente de la ciudad de México está en la zona NOx saturated del diagrama, es decir, es una zona con altas emisiones de NOx, abajo a la derecha del diagrama. En esta zona, pequeñas reducciones de emisiones de NOx (es decir, movernos a la izquierda en el diagrama ligeramente) aumenta las concentraciones de ozono. De manera que si reducimos ligeramente las concentraciones de NOx, como en un fin de semana, tendremos el observado aumento de ozono, algo que va contra nuestra intuición ¿no?

Regresando a la situación actual, las condiciones meteorológicas de los últimos días en la ciudad han sido de mucho calor. Esto debido a la presencia de un anticiclón que como mencioné anteriormente, está asociado a cielos despejados, mucha radiación solar y vientos muy leves, la receta perfecta para contaminación por ozono. Tan es así que el ozono no solamente no disminuyó conforme las actividades disminuían en el Área Metropolitana sino que las concentraciones de ozono llegaron a su máximo registrado en 2020. Así que a manera de resumen, hay tres explicaciones físico químicas para el aumento de ozono en época de cuarentena, las cuales enumero, de mayor a menor importancia, a mí parecer.

Primero influyó la presencia de un sistema meteorológico que permite la entrada de mucha radiación solar, el anticiclón que incluso hizo batir récords de temperatura. En segundo lugar, la época del año, la primavera es la estación con mayor radiación solar para el centro de México y es cuando típicamente influyen los anticiclones. Finalmente, la ligera disminución de emisiones de óxidos de nitrógeno no solamente no ayuda la disminución de ozono sino que puede provocar aumentos en la producción de ozono, por la interacción química con otros compuestos y la luz.

Este caso reciente es un ejemplo más de lo complicada e interesante que puede llegar a ser la química en la atmósfera, y lo complicadas que pueden ser la toma de decisiones para reducir la contaminación del aire. No resulta trivial evaluar si el Hoy No Circula es el mejor programa para disminuir el ozono, con ejemplos como éste, donde notablemente hay menos coches circulando ¡pero más ozono!

No por nada escribió Carlos Fuentes:

“Aquí nos tocó. Qué le vamos a hacer. En la región más transparente del aire.”

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Figura 3. Promedios diarios de ozono en la red de Monitoreo Atmosférico (RAMA) para toda la Ciudad de México.

Para saber más:

Foy, B. de, B. de Foy, J. D. Fast, S. J. Paech, D. Phillips, J. T. Walters, R. L. Coulter, et al. 2008. “Basin-Scale Wind Transport during the MILAGRO Field Campaign and Comparison to Climatology Using Cluster Analysis.” Atmospheric Chemistry and Physics. https://doi.org/10.5194/acp-8-1209-2008.

Stephens, S., S. Madronich, F. Wu, J. B. Olson, R. Ramos, A. Retama, and R. Muñoz. 2008. “Weekly Patterns of México City’s Surface Concentrations of CO, NOx, PM10 and O3 during 1986–2007.” Atmospheric Chemistry and Physics. https://doi.org/10.5194/acp-8-5313-2008.

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