Contaminación atmosférica por ozono en la zona metropolitana de

CONTAMINACIÓN ATMOSFERICA POR OZONO EN LA ZONA METROPOLITANA DE LA
CIUDAD DE MEXICO: EVOLUCION HISTORICA Y PERSPECTIVAS
Humberto Bravo A.*
G. Roy−Ocotla R., P. Sánchez A., R. Torres J.
Introducción
La zona metropolitana de la ciudad de México (ZMCM), es considerada actualmente como la
Ciudad con más problemas de contaminación en México y quizás en el mundo (Anders, 1988; Mc
Rae y Rusell, 1990; Torres 1991) Se estima que poco más de 9.5 millones de habitantes, del total
de la población en la ZMCM, están expuestos diariamente a diferentes grados de contaminación de
ozono por arriba de la norma de calidad del aire de 0.11 ppm promedio máximo de ozono en una
hora.
La contaminación fotoquímica por oxidantes, mejor conocida como “smog”, es realmente la mezcla
de diversos compuestos gaseosos y aerosoles, de entre los que destacan el ozono (O3), el dióxido
de nitrógeno (NO2) y los nitratos (NO3).
El ozono se ha considerado el representante típico de los oxidantes debido a su mayor porcentaje
en la atmósfera urbana y facilidad de medición, aunque taimen se tienen otros oxidantes de interés
como lo son el nitrato de peroxiacetilo (PAN) y el peróxido de hidrógeno (H2O2) estos compuestos y
muchos otros subproductos intermedios son producidos fotoquímicamente por la acción de la
energía ultravioleta del sol sobre las emisiones de los óxidos de nitrógeno (Nox = NO2 + NO)
resultantes de procesos de combustión a alta temperatura así como de los compuestos orgánicos
reactivos (ROG) emitidos a la atmósfera por uso de solventes, evaporación de combustión
(Seinfeld, 1989)
Una característica importante de los oxidantes es que éstos no son emitidos directamente a la
atmósfera, sino que son formados en el aire a través de complicadas reacciones fotoquímicas, las
cuales han sido ya extensamente estudiadas a nivel mundial, FinlaysonPitts, 1986 (Kruppa y
Manning, 1988; Seinfeld, 1988a).
La cantidad de oxidantes formados en la atmósfera tiene una dependencia total de la hora del día,
las condiciones meteorológicas y de la naturaleza de las fuentes emisoras de precursores como lo
son los Nox y los ROG (Seinfeld, 1988b).
* Sección de Contaminación Ambiental, Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM.
La dependencia de la formación del ozono en la meteorología se debe a que la producción
fotoquímica no inicia inmediatamente que son emitidos los precursores, sino que existe un
mezclado y un transporte atmosférico simultáneos al inicio y sostenimiento de todas las posibles
reacciones de química atmosférica (Torres 1991). Por esta razón los niveles más importantes de
ozono se presentan viento debajo de las principales fuentes de emisión.
Adicionalmente a los problemas potenciales asociados a los oxidantes, su presencia favorece la
ocurrencia de otros problemas de contaminación como: formación de otras especies
potencialmente tóxicas, deposición ácida, y degradación de la visibilidad (Bravo et al., 1988; Bravo
et al., 1989; Bravo et al., 1990).
El ozono existe en forma natural en la atmósfera y en amientes rurales su presencia se puede
deber a dos factores: producción fotoquímica a partir de trazas naturales de monóxido de
nitrógeno, metano y monóxido de carbono, o bien a intromisiones de ozono estratosférico a las
capas bajas de la troposfera por medio de complicados mecanismos meteorológicos (Torres,
1991). El ozono “natural” se encuentra en concentraciones promedio de − 0.05 ppb.
Sin embargo, en atmósferas urbanas, la formación del ozono “antropogénico” involucra la
interacción de cientos de reacciones simultáneas en las que los mecanismos tipo−radicales libres
actúan sobre un gran número de espacies y subproductos de ROG y compuestos inorgánicos
como los Nox, los cuales llevan a producir niveles de ozono por arriba de los 0.11 ppm.
La atmósfera de la ZMCM padece de esta problemática como consecuencia de que se han
fortalecido dos actividades promotoras de la actividad fotoquímica: 1) la emisión de compuestos
ROG con alto potencial de reactividad, y 2) la emisión excesiva de Nox por la alteración de los
procesos típicos de combustión.
Problemática
La presencia del ciclo fotoquímico del ozono en la ZMCM ya había sido detectado desde finales de
los años 50´s (Bravo et al., 1958). En la década de los 80´s los patrones y composición de las
emisiones de precursores de ozono han cambiado significativamente en las pequeñas; sin
embargo, la flota vehicular ha crecido en combustible típicamente industrial como el combustóleo y
el diesel continúa aumentando, lo mismo que el consumo de gasolinas (SEDUE, 1989).
Desafortunadamente diversos factores como la falta de equipo adecuado de control, la situación
económica, la mala administración ambiental y el crecimiento desordenado, han contribuido a que
le problema de la contaminación atmosférica por ozono presente actualmente un gran reto a
resolver.
Estudios de monitoreo realizados en los 70´s hasta la mitad de los 80´s señalan que el nivel de
ozono no representaba un problema importante de contaminación atmosférica en comparación con
otros contaminantes como las partículas, el plomo contenido en las mismas y el SO2, (Bravo y
Torres, 1985; Bravo et al., 1978).
La formación del ozono en la ZMCM se ajusta a la fotoquímica típica; esto es, niveles altos de
ozonos fuera de las principales emisiones de NO, transporte de masas de aire por vientos a zonas
receptoras viento abajo, y picos máximos de O3, después del mediodía (Bravo et al., 1978; Bravo y
Torres, 1986a; Bravo y Torres, 1986b). Sin embargo, la intensidad de esta actividad fotoquímica ha
sido modificada como resultado indirecto de la aplicación de una serie de “estrategias de control”
con planeación deficiente por parte de las autoridades responsables.
Bravo y colaboradores, en 1987, sostuvieron frente a la comunidad técnica y científica, que a partir
de otoño de 1986 los niveles de ozono en la ZMCM se habían disparado en forma aparentemente
inexplicable, coincidiendo claramente con el cambio de gasolinas realizado por PEMEX en esa
misma fecha (Bravo et al., 1987a; 1987b). Estos mismos autores sugirieron que había existido un
cambio en el balance de ROG y en los Nox que eran emitidos a la atmósfera como consecuencia
de una posible alteración en la formulación del nuevo combustible automotriz.
PEMEX en su oportunidad señaló que la aplicación de esta estrategia de cambio de gasolina se
debía a que en los años previos, el nivel del plomo encontrado en las partículas suspendidas
estaba muy por arriba de la norma de calidad de aire de este contamínate (PEMEX, 1986).
Posteriormente se logró confirmar que la razón técnica del cambio en la formulación obedeció a los
siguientes factores. La gasolina anterior a 1986 estaba constituida básicamente por gasolinas
primarias con alto porcentaje de parafinas de bajo octano, por lo que necesariamente se requería
adicionar tetraetilo de plomo para subir el octanaje. El problema ambiental asociado fue el exceso
de plomo en la atmósfera de la ZMCM.
A mediados de 1986 se decide cambiar la formulación de la gasolina por gasolinas reformadas
(alto porcentaje de oleofinas y aromáticos) de alto octano, con lo que el requerimiento de tetraetilo
de plomo se disminuía drásticamente. Obviamente el plomo en el ambiente disminuyó pero se
produjo un cambio sensible en la composición de los orgánicos reactivos emitidos por los escapes
y por la evaporación de la nueva gasolina (NOVA−PLUS), así como en la cantidad de Nox emitidos
por la combustión, como consecuencia de que se requieren otras condiciones de diseño de
motores para utilizar gasolinas reformadas. En países donde se utilizan gasolinas reformadas, es
porque la flota vehicular ya cuenta con convertidores catalíticos en los escapes, y con motores
adecuados a estos combustibles, cosa que no sucedió en México.
La función del convertidor catalítico es convertir los ROG y el CO a CO2, y los Nox a N2; esto es, se
destruyen precursores de la formación de ozono que de otra forma saldrían por el escape a la
atmósfera.
Desafortunadamente, aún en 1991, dependencias oficiales continúan señalando este hecho como
una especulación, demostrando el poco entendimiento de los mecanismos fisicoquímicos de la
combustión y la formación de oxidantes (DDF, 1991).
En otra acción (o estrategia) de PEMEX por reducir niveles de emisión de CO e hidrocarburos
totales (HCT), se introduce a finales de 1988 un aditivo oxigenado, el metil−terbutil−eter (MTBE), a
las gasolinas NOVA−PLUS y EXTRA que se distribuían en la ZMCM. La justificación del uso del
MTBE fue la posible reducción de emisiones de CO y HCT por los escapes de vehículos
automotores que no contaban con convertidor catalítico, según la promoción de las compañías
extranjeras productoras del aditivo.
Sin embargo, aún hasta 1990 no había sido autorizado su uso en los Estados Unidos como
consecuencia de efectos pueda tener la combustión de este aditivo en la fotoquímica atmosférica
de zonas urbanas, a pesar de la virtud de que permite eliminar la totalidad del uso del plomo como
aditivo antidetonante (ARCO, 1989).
Un nuevo problema ambiental surgió de esta acción. La combustión del MTBE produce
principalmente formaldehído (HCHO), el cual es un precursor muy importante del ozono,
especialmente a las primeras horas de la mañana y al atardecer. Los niveles de ozono a horas
antes desusuales como 9:00 a 10:00 hrs., son ahora comunes en la ZMCM, con lo cual se
incrementó significativamente el número de horas con O3 por arriba de la norma de calidad de aire
(Bravo et al., 1990).
Nuevamente, una toma de decisiones apresurada de una importante acción ambiental ha llevado a
un empeoramiento de esta problemática.
Posteriormente en 1990 y bajo presión de grupos auto−llamados “ecologistas”, se establece en
forma permanente el programa “Hoy no circula”, con el cual supuestamente se retiraban de
circulación y de “golpe” 500 mil vehículos al día. Este tipo de programas, por experiencia
internacional, sólo han funcionado para casos de emergencia y en forma temporal, pero nunca en
forma permanente.
El resultado ha sido totalmente negativo. La circulación vehicular, lejos de disminuir ha aumentado.
Estudios oficiales indican que el número de altas en el registro de placa permanente y ventas en el
D. F. aumentó de 1987 a 1990.
El consumo de gasolinas en la ZMCM refleja también el efecto de la implementación de dicho
programa. La tasa de consumo presentó una sensible baja cuando el invierno de 1988−89 se
implementó temporalmente el “Hoy no circula”. Al finalizar esta temporada el consumo de gasolinas
se restableció a la tasa de crecimiento normal.
Posteriormente, en 1990 se implementa en forma permanente dicho programa. El consumo de
gasolinas disminuyó notablemente al inicio del programa, para dispararse notablemente después
de la primera mitad de 1990.
Finalmente, a principios de 1991 se lanza una intensa campaña anunciándose la introducción de
una “diferente” gasolina (MAGNA−SIN) para uso exclusivo de modelos 1991 con convertidores
catalíticos. Nuevamente se comete un error al instruir al público de que esta gasolina era optativa
para vehículos 1986−1990. El uso de la MAGNA−SIN, formulada con gasolina totalmente
reformada, con altísimo porcentaje de aromáticos, y olefinas está prohibido emplearla en vehículos
son catalizador, porque las emisiones de ROG más reactivos y de Nox quedan totalmente fuera de
control.
Distribución de concentraciones de ozono en la ZMCM
El mecanismo fotoquímico−meteorológico de la formación de O3, depende de las condiciones de
la cuenca atmosférica de la ZMCM.
Recientemente, el Centro de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM realizó el análisis de las
trayectorias de viento que se presentan en días en los que se registraron niveles elevados de
ozono en Ciudad Universitaria (Torres, 1991).
Los resultados señalan que los mecanismos de formación de ozono son aún más complicados de
lo que se suponía, encontrándose una gran evidencia de acumulación nocturna de contaminantes
atmosféricos precursores de ozono por arriba de la capa de inversión de temperatura típica del
Valle de México. Al amanecer se inicia el calentamiento de la superficie por el sol y la capa de
inversión poco a poco se va rompiendo hasta que se logra un vigoroso mezclado vertical entre las
capas por debajo de la inversión y la de arriba, de tal forma que se puede estar presentando una
reinyección de precursores adicionales a alas concentraciones matutinas precursoras del ozono.
La masa de aire inició su recorrido en la vecindad de Texcoco (8:00 a. m.), cruzó por la zona
industrial de Ecatepec y La Villa entre las 10:00 y las 11:00 hrs., llegó al centro de la ciudad al
mediodía, para arribar a la zona del Pedregal entre las 13:00 y las 14:00 hrs. La reincorporación de
los contaminantes acumulados por arriba de la capa se presentó entre las 10:00 y las 11:00 hrs.
Sin embargo, esto no quiere decir que en el Pedregal se registren los máximos de concentración,
lo que sucede es que en esta zona se localizan los últimos monitores de ozono en relación al
viento debajo de la ZMCM. Es posible que niveles aún mayores se es estén presentando en las
faldas del Ajusco y Contreras.
Perspectivas a futuro
Es evidente, de cualquier forma, que la zona Suroeste de la ZMCM sufre la presencia de
concentraciones máximas de ozono como consecuencia del transporte de vientos.
La base de cálculo de las tasas de crecimiento fueron los números de eventos en los que se
registraron tres rangos de concentración de ozono: 0.11 a 0.20 a 0.30 ppm; y mayores a 0.30 ppm
de 1988 a 1990.
Conclusiones
El problema de la contaminación por oxidantes fotoquímicos es quizás el más grave de la ZMCM
en la actualidad. Su formación fotoquímica y distribución espacial en la superficie obedece
claramente a mecanismos de transporte atmosférico, y a la existencia de concentraciones de
precursores como compuestos orgánicos reactivos y óxidos de nitrógeno. Sin embargo, estos
balances atmosféricos de concentraciones de precursores han sufrido modificaciones que han
obedecido a la implantación de una serie de estrategias con deficiente planeación relacionadas
básicamente con el suministro de combustibles en la ZMCM. A partir de 1986 el problema del
ozono es magnificado, y para 1990 no existe ninguna tendencia a la disminución.
La falta de suficientes especialistas y académicos preparados en la problemática de la presencia
del ozono en zonas urbanas es evidente aún en dependencias oficiales, por lo que se requiere que
mayores esfuerzos de educación ambiental inmediatos sean aplicados a todos los niveles. No se
esperan buenas perspectivas para los próximos 5 años en la ZMCM, sin embargo, se continúa
trabajando en estudios de química atmosférica de la formación del ozono en la ZMCM, con el fin de
entender mejor la dinámica de su generación, de tal forma que sea posible, a corto plazo, proponer
estrategias de control realistas, propias de las características geográficas y urbano−industriales de
la Cuenca del Valle de México.
Bibliografía
Anders C. (1988), “Interview: the Effects are Present”, México Journal, vol. II (2), 3−4, October 10.
ARCO (1989), “ARCO Introduces NEW Low−Emission Gasoline in Southern California”, New
Focus, J. Air Poll Contr. Assoc. 39 (10), 1357−1359.
De Bauer, M. L. Tejeda, T. H. Y Manning (1985), “Ozone Causes Needle Injury and Tree Decline in
Pinus Hartweggi at High Altitudes in the Mountains Around México City”, J. Air Poll. Contr. Assoc.
35 (8), 838.
Bravo, H. A., Pérez, M., y Siliceo, M. L. (1958), Muestreo y análisis de gases en la atmósfera,
Reporte Técnico, Dirección de Higiene Industrial, S. S. A., México, D. F.
Bravo, H. A., Magaña, Z. R., Lowe, S. A., Ayanegui, J. S., Sigler, A. E. (1978), “Preliminary Study of
the Photo−chemical Process in the Air Pollution of México City”. en Proceedings of the International
Clean Air Conference, 182−101, The Clean Society of Australia and New Zeland, Brisbane,
Australia, mayo.
Bravo, H. A. y Torres, J. R. (1985), “Ozone Monitoring and Night Concentration Events at the
Campus of the University of México”, Paper 85−59B.4, 78th Annual Meeting of the Air Pollution
Control Association.
Bravo, H. A. y Torres, J. R. (1986a), Relationship of Nitrogen Oxides to Oxidants in the México City
Atmosphere During 1985, Technical Report, Proyecto CONACYT−UNAM: PCECBNA−001067,
Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM, México, D. F.
Bravo, H. A. y Torres J. R. (1986b), Relationship of Hydrocarbons to Oxidants in the México City
Atmosphere During 1985, Technical Report, Proyecto CONACYT−UNAM: PCEBNA−001067,
Centro de Ciencias de la Atmósfera, UNAM, México, D. F.
Bravo, H. A., Sosa, R. E. y Torres, J. R. (1987a), Contaminación atmosférica por ozono: propuesta
de estrategias de control para el invierno 1987−1988 en la Zona Metropolitana de la Ciudad de
México, Reporte Técnico elaborado por la Comisión Nacional de Ecología, SEDUE, México, D. F.
Bravo, H. A. Perrin, F. G., Sosa, R. E. y Torres, J. R. (1987b), “Contaminación atmósferica
fotoquímica en la Zona Metropolitana de la Ciudad de México: ocurrencia y estrategia de control”,
Boletín GEOS 7(1), 3−9.
Bravo, H. A., Sosa, E. R., Torres, J. R., Camacho, c. R., Saavedra, R. M. I. (1988) “NO3 Y SO4 en
partículas (PST) y respirables en la Ciudad de México como indicadores de estrategias
ambientales (1981−1987)”, en Memorías, VI Congreso Nacional de la Sociedad Mexicana de
Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Querétaro, Qro.
Bravo, H. A., Sosa, E. R. y Torres, J. R. (1989), “el problema fotoquímico y la lluvia ácida en la
Ciudad de México”, en: Memorias, Reunión sobre Salud y Ambiente en la Ciudad de México
61−69, Secretaría de la Defensa Nacional, Departamento del Distrito Federal, México, D. F., abril
17−21.
Bravo, H. A., Camacho, C. R., Sosa, E. R., Torres, J. R. (1990), “Efectos en la calidad del aire en
C. U. por el uso del aditivo MTBE en las gasolinas del Valle de México”, en: Memorias, VII
Congreso Nacional de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, A. C. D.8−D.13.
Oaxaca, Oax., septiembre 19−21.
D. D. F. (1991), Reporte anual sobre la calidad del aire en la Ciudad de México, coordinación
General de Reordenación de Planeación Ecológica, Dirección de Planeación Ecológica, D. D. F.,
México, D. F., marzo.
Finlayson−Pitts, J. y Pitts, J. N. Jr. (1986) Atmospheric Chemistry: Fundamentals and Experimental
Techniques, John Wiley and Sons, New York.
Krupa, S. V. y Manning, W. J.(1988), “Atmospheric Ozone: Formation and Effects on Vegetation”,
Environ. Pollut. 90 (1& 2), 101−137.
Mc Rae, G. y Russel, A. G. (199), “Smog, Supercomputers and Society: Mathematical Modelling of
Photochemical Air Pollution”, Comput. Phys. 4 (3), 227−232.
PEMEX (1986) Aspectos generales del plomo y su comportamiento en el medio ambiente, Reporte
Técnico, GPTA−E−003, Petróleos Mexicanos, México, D. F. diciembre.
SEDUE (1989), Consulta para el programa nacional de conservación ecológica y de protección al
ambiente 1988−1994: lineamientos, Documento de la Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología,
México, D. F.
Seinfeld, J. H. (1988a), “Urban Air Pollution: State of the Sciencie”, Science 243 (2), 745−752.
Seinfield, J. H.(1988b), “Ozone Air Quality Models: A Critical Review”, J. Airi Poll. Contr. Assoc.
38(5), 616−645.
Torres, J. R. (1991), Construcción y aplicación de trayectorias de retroceso de parcelas de aire al
estudio de la contaminación atmosférica por ozono en la Zona Metropolitana de la Ciudad de
México, Tesis Maestría, División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, UNAM, México,
D. F.