El proyecto “ Global Ozone Project”

1. El proyecto“Global Ozone Project”

2. Módulo 1 – El Ozono

3. Lección 1 – Fundamentos de la contaminación atmosférica

4. Lección 1 :Objetivos Al final de esta lección, los alumnos deberán poder: • Definir los seis principales contaminantes del aire regulados en la legislación • Identificar la diferencia entre el ozono estratosférico y el ozono troposférico • Citar las cinco capas de la atmósfera

5. Composicion del aire y definición de contaminación del aire Contaminación del aire (por gases): presencia en el aire de cualquier gas de origen antropogénico en cantidad suficiente para provocar un cambio sensible en su composición Composición del aire en la troposfera

6. Contaminación + climatología estable = agravamiento de efectos 1948 en Donora, PA 1952 en Londres, UK La columna de Nelson entre el smog de 1958 La columna de Nelson hoy Este episodio de contaminación causó la muerte de 4.000 personas y la enfermedad de 100.000 más,a causa de emisiones industriales y urbanas agravadas por una climatología estable. Este episodio de cotaminación causó la muerte de 20 personas, y la mitad de los 14.000 habitantes de la población enfermaron a causa de emisiones industriales agravadas por una climatología estable.

7. La Clean Air Act de los EEUU • Después de la mortalidad por episodios de contaminación en USA en 1947, se estableció la urgente necesidad de regular la calidad del aire para evitar que estos episodios no volvieran a ocurrir. La primera Clean Air Act fue ratificada en los Estados Unidos en 1963. • LA Clean Air Act of 1970 dió a la “US Environmental Protection Agency (EPA)” la autoridad para regular la contaminación, identificandose seis contaminantes prrioritarios para su vigilancia y control: • Monóxido de carbono (CO) • Plomo (Pb) • Dióxido de nitrógeno (NO2) • Particulas en suspensión (PM2.5 and PM10) • Ozono (O3) • Dioxido de azufre (SO2)

8. Índice de calidad del Aire – Es una medida global de la calidad del aire, generalmente publicada en los informes climatológicos , y que se basa en las cantidades de esos seis contaminantes presentes en el aire. Existen seis niveles de calidad al respecto:

9. Ejemplos de fuentes de cada uno de los seis principales contaminantes 2 1 3 O3 – Ozono (se explicará luego en la lección 2) NO2 –Dióxido de Nitrógeno (se explicará en la lección 2) CO –Monoxido de Carbono (se explicará luego en la lección 2) Emisiones de coches: Los coches emiten CO y NO durante el funcioamiento del motor, lo que produce que el NO, producido en la combustión, llege a la atmósfera convertido en NO2 Emisiones e coches Los coches emiten NO, producido durante la combustion, llega al aire convertido en NO2 Ozono: Formado por interacción de la luz del sol, con contaminantes como óxidos de nirógeno, NOx, monóxido de carbono, CO y otros compuestos volátiles orgánicos, VOC Centrales térmicas Centrales térmicas

10. Examples of Sources for Each of the Six Priority Air Pollutants, Continued 4 5 6 PM2.5,10 – Partículas y humo Pb – Plomo SO2 – Dióxido de azufre Tubos de escape y centrales térmicas Centrales térmicas Fundiciones de hierro y otras industrias Incendios Antes de ser prohibida,,la gasolina con plomo era la principal fuente de plomo en el aire Road Dust

11. La diferencia entre el ozono estratosférico y el ozono troposférico Recuerda: el ozono es “malo” en la troposfera y “bueno” en la estratosfera

12. Las capas de la atmósfera

13. Lección 2 – La formación de ozono en la troposfera

14. Lección 2: Objetivos Al final de la lección 2, los alumnos deberán ser capaces de: • Definir los términos “contaminante primario” y “contaminante secundario”. • Enumerar los contaminantes primarios que originan la formación de ozono a nivel del suelo y describir el rol de la luz del sol en el proceso. • Describir el papel que desempeñan las condiciones meteorológicas en la formación y transporte del ozono a nivel del suelo.

15. Lección 2: Actividades • El efecto del ozono en un limón y cómo se forma neblina. • Visitar la página web de datos del proyecto GO3 o visitar la página web de AIRNow y completar la hoja de trabajo.

16. Contaminantes primarios y secundarios Loa contaminantes primarios son emitidos directamente sus fuentes y causan daños en la misma forma química en que son emitidos. Ejemplos de contaminantes primarios son el SO2 y el CO2 Por el contrario, los contaminantes secundarios resultan de la interacción de los primarios con otros contaminantes presentes en el aire, tras ser emitidos desde sus fuentes Ejemplos de contaminantes secundarios son el ozono y la lluvia ácida.

17. La formación del ozono Los ingredientes para formar ozono troposférico son: Carbono en forma de CO o VOCs Óxidos of nitrógeno (NOx) Radiación solar (hv) CO + OH → CO2 + H H + O2 → HO2 HO2 + NO → OH + NO2 NO2 +hv → NO + O O + O2 → O3 Net: CO + 2 O2 → CO2 + O3 Compuestos orgánicos volátiles (VOC’s): Compuestos químicos conteniendo carbono que en condiciones normales se encuentran en fase de vapor y se introducen en la atmósfera. Algunos ejemplos son en metano (CH4), los vapores de gasolina y los vapores de los disolventes de las pinturas.

18. El papel del NO2 y la luz solar en la formación del ozono Examinemos con detalle los pasos 4 y 5 del proceso: 1. CO + OH → CO2 + H 2. H + O2 → HO2 3. HO2 + NO → OH + NO2 4. NO2 +hv → NO + O 5. O + O2 → O3 Paso 4: La luz solar rompe el enlece entre el nitrógeno y el oxígeno Sunlight N O O Paso 5: el oxígeno atómico encuentra inmediatamente una molécula diatómica de oxígeno para formar ozono N O + = O O2 O3 Es por ello por lo que la luz solar es indispensable para formar ozono

19. Fuentes naturales y antropogénicas Las fuentes necesarias para la formación de ozono son tanto naturales como antropogénicas. El delicado balance de compuestos químicos en la atmósfera se ha desarrollado durante millones de años. Hay dos principales razones por las que la actividad humana está afectando negativamente al medio ambiente: Las actividades humanas alteran este delicado balance, lo que causa que los contaminantes actúen de diferente manera a la que lo harían de forma natural. Las fuentes naturales de los contaminantes están distribuidas por todo el planeta; sin embargo, la contaminación humana está concentrada en pequeñas áreas. Por otra parte, las fuentes naturales han estado emitiendo a la atmósfera durante miles de años, creando este balance de componentes a lo largo del tiempo. Antropogénico = Causado por el hombre Naturales Antropogénicas

20. La concentración de NOx en la atmósfera es un “interruptor químico”, un ejemplo de cómo la actividad humana altera el balance. O3 BajoNOx O3 Alto NOx O2 O2 Producción de ozono = OFF (el ozono se destruye) Ozone Production = ON La reacción con CO a bajas concentraciones de NOx en la atmósfera, da lugar a que la reacción total produzca la destrucción del ozono La reacción con CO a altas concentraciones de NOx en la atmósfera, da lugar a que la reacción total produzca la formación del ozono CO + OH → CO2 + H H + O2 → HO2 HO2 + NO → OH + NO2 NO2 +hv → NO + O O + O2 → O3 Net: CO + 2 O2 → CO2 + O3 CO + OH → CO2 + H H + O2 → HO2 HO2 + NO → OH + NO2 HO2 +O3 → OH + 2O2 Net: CO + O3 → CO2 + O2

21. Tipos de fuentes antropogénicas Puntuales – están muy concentradas en un punto Superficiales – están más difuminadas Lineales – pueden dividirse en dos categorías En carreteras Fuera de ellas Aviones Coches, camiones Centrales térmicas Ganado (CH4) Maquinaria de construcción Pinturas y recubrimientos Gasoductos otros

22. Video sobre VOC’s Normalmente no podemos ver muchos de los contaminantes emitidos a la atmósfera. Este video muestra los vapores (VOC’s) que se emiten cuando se reposta combustible. Hacer click en este link para ver el video: http://www.go3project.com/network/JohnBirks/videos/10

23. Distribución de las fuentes antropogénicas de monóxido de carbono (CO) Distribución de las fuentes de CO Emisiones de CO en toneladas por milla cuadrada en los EE.UU.

24. Distribución de las fuentes antropogénicas de óxidos de nitrógeno carbono(NOx) Emisiones de NOx en toneladas por milla cuadrada en EE.UU. Distribución de fuentes de NOx

25. Distribución de las fuentes antropogénicas de Compuestos Orgánicos Volátiles (VOC’s) Emisiones de de VOC en toneladas por milla cuadrada en EE.UU. Distribución de fuentes de VOC

26. Fuentes naturales y antropogénicas de CO Total naturales = 540 Tg C/año Total Antropogénicas = 520 Tg C/año Antropogénicas Naturales

27. Un momento: ¿qué significa “contaminación natural”? Los árboles emiten VOCs, luego ¿son por lo tanto contaminantes? Los árboles emiten VOCs por varias razones • Para repeler insectos y animales dañinos.  • Para atraer agentes de polinización. • Como respuesta al estrés mmmm…el olor de los pinos Los árboles emiten emiten VOCs en forma de isopreno y monoterpenos, lo que origina su olor característico Isopreno

28. A lo largo de la Historia, se han justificado las fuentes antropogénicas de contaminación comparándolas con las naturales • En 1980 y 1981, el Presidente de los EE.UU. Ronald Reagan afirmó que los árboles contaminan más que los humanos, y dijo textualmente que: • “Los árboles contaminan más que los coches.” • “Aproximadamente el 80% de la contaminación atmosférica proviene de hidrocarburos emitidos por la vegetación, por lo que no debemos hacer un sobreesfuerzo en establecer límites y controlar las emisiones antropogénicas” • ¿Estaba en lo cierto? • Sin los óxidos de nitrógeno emitidos por el hombre, la mayoría de los VOC’s emitidos por los árboles no formarías ozono. • Los VOCs emitidos de forma natural se distribuyen por todo el mundo, al contrario de la concentración existente en las zonas donde se encuentran las fuentes antropogénicas. • Los árboles ayudan a depurar el aire absorbiendo contaminantes como ozono, monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas.  • Algunas especies de árboles producen casi tanto ozono como el que absorben. De nuevo, las fuentes antropogénicas de NOx hacen que se cree un exceso de ozono a partir del los VOCs emitidos por los árboles. Si nos fijamos en la totalidad ellas, NO Si nos fijamos en una parte de las reacciones químicas, SÍ

29. Cómo afecta la climatología a la formación y al transporte del ozono

30. El transporte del ozono por el viento Los modelos de dispersión pueden ayudar a comprender esta situación: el gráfico de abajo obtenido de uno de estos modelos matemáticos muestra el transporte de contaminantes desde tres fuentes diferentes Las áreas rurales pueden sufrir concentracione altas de ozono, que es transportado por el viento desde grandes ciudades

31. Haga click en la visualización del transporte del ozono para ver una película de cómo el viento afecta a la concentración de ozono Contaminacion proveniente de la costa NE de los EEUU Hacer click en la imagen para ver la animación (se necesita tener descargado un reproductor de video para ello)

32. Análisis del Transporte de Ozono mediante flechas de velocidad y dirección de viento Esta mapa muestra la velocidad y dirección del viento sobrepuestas en el mapa de fuentes puntuales (el tamaño de la flecha indica la velocidad del viento, un mayor tamaño de la flecha indica mayor velocidad de l viento) El gráfico mostrado corresponde a los día de mayor concentración de ozono en los EEUU. Este mapa muestra las fuente puntuales de NOx en ton/año

33. Efectos de la humedad y la temperatura en la formación de ozono Recapitulemos las reacciones química que suceden durante la formación del ozono OH. Es el Radical Hidroxilo y se forma a partir de la humedad del aire. A medida que aumenta la humedad, los radicales OH son más abundantes, y más ozono se producirá a partir de allos, por ello: Humedad Ozono CO + OH . → CO2 + H H + O2 → HO2 HO2 + NO → OH + NO2 NO2 +hv → NO + O O + O2 → O3 Net: CO + 2 O2 → CO2 + O3 Un aumento de la temperatura hace que estas reacciones se aceleren, es decir que TemperaturaOzono

34. El ozono y la la lluvia • La concentración de ozono en el aire no disminuye significactivamente por la lluvia en sí, sino que lo hace debido a las nubes. Las nubes tapan el sol y reducen la cantidad de luz necesaria para formar ozono. • A diferencia del ozono, SO2 and NO2 son solubles an agua y reaccionan con gotas de lluvia para formar ácido sulfúrico y nítrico, respectivamente, lo que se conoce como lluvia ácida. = = = Menos ozono Lluvia Nubes Menos luz y rayos UV

35. El Ozono y las estaciones • La concentración de ozono es afectada a menudo por las estaciones del año. Esto se debe a la posición del sol en el cielo y al ángulo al que los rayos UV impactan sobre la superficie. • Tambien influye la posición del punto de impacto, ya que la posición dle sol en el cielo no cambia mucho a latitudes cercanas al Ecuador. Esto es por lo que hace calor allí durante todo el año. • PREGUNTA: A qué latitudes está más afectada la formación de ozono en el invierno? Cuando la luz del Sol impacta en la tierra con un ángulo de 26.5 grados en invierno (como se aprecia en la figura), estos rayos no son fuertes : este diagrama muestra los ángulos típicos de impacto en los estados del NE de EEUU.

36. La inversión térmica puede atrapar la contaminación del aire a nivel del suelo En situación normal, el aire caliente sube Durante la inversión térmica, el aire frío permacece cerca del suelo, por que el aire frío es más denso y se encuentra mejor allí. La dispersion de los contaminantes es entonces imposible.

37. Lección 3 – Los efectos del ozono troposférico

38. Lección 3: Objetivos Al final de la lección 3, los estudiantes deberán poder: • Describir los efectos del ozono troposférico en seres humanos y plantas. • Identificar al ozono como un gas de efecto invernadero. • Enumerar tres vías para eliminar el ozono troposférico.

39. Lección 3: Actividades • El experimento de la tira de caucho • Plantas sensibles al ozono y plantas resistentes al ozono.

40. Los ciclos y efectos de la contaminación ambiental

41. Efectos del Ozono en los pulmones Approximately 300 million people in the World Have Asthma El ozono puede inflamar los pulmones cuando es inhalado…. 34.1 Million People in the US Have Asthma ….lo que es particularmente dañino para personas que padecen de asma, ya que la inhalación de ozono les puede provocar un ataque de asma

42. El ozono y el Índice de Calidad del Aire (AQI) El AQI es un parámetro que aparece en los periódicos y en los informes meteorológicos o medioambientales y que indica la calidad del aire. Si el contaminante principal es el ozono, se puede estimar su concentración en el aire en ppb a partir del AQI. Ir a http://airnow.gov/index.cfm?action=aqi_calc.aqi_conc_calc para realizar el cálculo. Este valor es la media de la concentración de ozono en 8 horas. 95 ppb)

43. El ozono y la visibilidad El ozono produce frecuentemente zonas de baja visibilidad en lugares donde su concentración es alta, como se muestra a continuación. Hacer click en este link para ver la evolución de la visibilidad con el ozono http://www.outdoors.org/conservation/mountainwatch/aq.cfm

44. Los efectos del ozono en las cosechas 15 ppb 80 ppb 100 ppb Este gráfico muestra la reducción de las cosechas de varias plantas en función de la concentración deozono. PREGUNTA: ¿Qué planta es la más sensible de todas? En su estudio, David A. Grantz y Anil Shrestha expusieron plantas de algodón a varios niveles de ozono atmosférico y determinaron sus efectos en el crecimiento de las plantas.

45. Cómo penetra el ozono en las plantas • La planta abre y cierra sus estomas en su actividad normal, para intercambiar agua y CO2. Los estomas siempre se cierran cuando hay sequía, o cuando la planta no tiene suficiente agua. • Cuando los estomas están abiertos, el ozono puede penetrar en la planta. • Cuando la planta detecta que el ozono está penetrando por los estomas junto con el dióxido de carbono, los cierra para evitar que entre más ozono. • Cuando los estomas se han cerrado, se produce una situación similar a la sequía. Con los estomas cerrados, la planta no puede obtener lo necesario para estar saludable, y se produce una necrosis alrededor de los estomas. PREGUNTA: ¿Puede el ozono dañar a la planta durante una sequía? ¿Por qué o por qué no? Estoma abierto Estoma cerrado Los daños causados por el ozono aparecen como puntos negros en la superficie superior de la hoja y entre las venas.

46. El ozono es un gas de efecto invernadero y contribuye al calentamiento global Un hecho interesante: Sin CO2 y otros gases de efecto invernadero, nuestro planeta estaría congelado. Sin embargo, el equilibrio natural de los gases de efecto invernadero necesario para la vida ha sido alterado por la contaminación y ha traído como consecuencia un excesivo calentamiento en pocos años.

47. Principales gases causantes del calentamiento global Los cuatro principales gases causantes del calentamiento global de origen antropogénico son los indicados a continuación, junto con su contribución al fenómeno: PREGUNTA: ¿Qué le ocurre a la velocidad de formación del ozono si el planeta se calienta? ¿Aumentará o disminuirá? ¿Por qué?

48. Lección 4 – El ozono estratosférico

49. Lección 4: Objetivos Al final de la lección 4, los alumnos deberán poder: • Identificar las principales causas de la disminución del espesor de la capa de ozono estratosférico. • Explicar qué son las unidades Dobson Units y cómo se emplean para expresar el espesor de la capa de ozono. • Describir por qué el agujero de la capa de ozono está sobre la Antártida. • Comentar los requisitos del protocolo de Montreal

50. La capa de ozono estratosférico: una sombrilla gigante sobre la tierra