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. 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