Smog fotoquímico: características, causas y efectos

El smog fotoquímico es una niebla densa que se forma debido a las reacciones químicas de los gases emitidos por los motores de combustión de los automóviles. Estas reacciones están mediadas por la luz solar y ocurren en la tropósfera, capa de la atmósfera que se extiende desde los 0 a los 10 km de altura sobre el suelo. 

La palabra smog proviene de la contracción de dos palabras del idioma inglés: “fog”, que significa neblina o niebla, y “smoke”, que significa humo. Su uso se inició en la década de 1950 para designar a una neblina que cubrió a la ciudad de Londres.

Figura 1. Smog fotoquímico en la ciudad Salt Lake City, USA. Fuente: Eltiempo10 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

El smog se manifiesta como una neblina de color amarillento-parduzco-grisáceo, originada por pequeñas gotas de agua dispersas en la atmósfera, que contienen los productos químicos de reacciones que ocurren entre los contaminantes del aire.

Esta neblina es muy común en las grandes ciudades por la gran concentración de automóviles y el tránsito vehicular más intenso, pero también se ha extendido a zonas que eran prístinas, como por ejemplo el Gran Cañón en el estado de Arizona, USA.

Muy frecuentemente, el smog tiene un olor característico, desagradable, debido a la presencia de algunos componentes químicos gaseosos típicos. Los productos intermedios y los compuestos finales de las reacciones que originan al smog, afectan gravemente a la salud humana, animales, plantas y a algunos materiales.

Características

Algunas reacciones que ocurren en la tropósfera

Uno de los rasgos distintivos de la atmósfera del planeta Tierra es su capacidad oxidante, debida a la gran cantidad relativa de oxígeno molecular diatómico (O2) que contiene (aproximadamente en un 21% de su composición).

En última instancia, prácticamente todos los gases emitidos a la atmósfera son oxidados completamente en el aire, y los productos finales de estas oxidaciones se depositan sobre la superficie de la Tierra. Estos procesos de oxidación son de importancia vital para limpiar y descontaminar al aire.

Los mecanismos de las reacciones químicas que ocurren entre los contaminantes del aire son muy complejos. A continuación se presenta una exposición simplificada de los mismos:

Contaminantes atmosféricos primarios y secundarios

Los gases emitidos por la combustión de combustibles fósiles en los motores de los automóviles contienen mayoritariamente óxido nítrico (NO), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y compuestos orgánicos volátiles (COV´s).

Estos compuestos se denominan contaminantes primarios, puesto que a través de reacciones químicas mediadas por la luz (reacciones fotoquímicas) producen una serie de productos denominados contaminantes secundarios.

Básicamente, los contaminantes secundarios más importantes son el dióxido de nitrógeno (NO2)  y el ozono (O3), los cuales son los gases que más influyen en la formación del smog.

Formación de ozono en la tropósfera

En los motores de los automóviles se produce óxido nítrico (NO) a través de la reacción entre el oxígeno y el nitrógeno del aire a altas temperaturas:

N2 (g)  +  O2 (g) →  2NO (g), donde (g) significa en estado gaseoso.

El óxido nítrico una vez liberado a la atmósfera se oxida a dióxido de nitrógeno (NO2):

2NO (g)  +  O2 (g)  →   2NO2 (g)

El NO2 experimenta descomposición fotoquímica mediada por la luz solar:

NO2 (g) + hγ (luz) →  NO (g)  +  O (g)

El oxígeno O en forma atómica es una especie extremadamente reactiva que puede iniciar muchas reacciones como la formación de ozono (O3):

O (g)  +  O2 (g) →  O3 (g)

El ozono en la estratósfera (capa de la atmósfera entre los 10 km y los 50 km de altura sobre la superficie terrestre) funciona como componente protector de la vida en la Tierra, pues absorbe la radiación ultravioleta de alta energía que proviene del sol; pero en la tropósfera terrestre el ozono tiene efectos muy dañinos.

Figura 2. Smog en Nueva York. Fuente: Wikipedia Commons 

Causas del smog fotoquímico

Otras vías para la formación de ozono en la tropósfera son las reacciones complejas en las que intervienen óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y oxígeno.

Uno de los compuestos químicos generados en estas reacciones es el nitrato de peroxiacetilo (PAN), el cual es un potente agente lacrimógeno que provoca también dificultad para respirar.

Los compuestos orgánicos volátiles provienen no solo de hidrocarburos que no se queman en los motores de combustión interna, sino de varias fuentes, como evaporación de solventes y de combustibles, entre otras.

Estos COV´s también experimentan reacciones fotoquímicas complejas que son fuente de ozono, ácido nítrico (HNO3) y compuestos orgánicos oxidados parcialmente.

COV´s + NO + O2 + Luz solar → Mezcla compleja: HNO3, O3   y varios compuestos orgánicos

Todos estos compuestos orgánicos productos de oxidación (alcoholes y ácidos carboxílicos), son volátiles también y sus vapores pueden condensarse en mínimas gotas líquidas que se distribuyen en el aire en forma de aerosoles, los cuales dispersan la luz solar, reduciendo la visibilidad. De esta manera se produce una especie de velo o niebla en la tropósfera.

Efectos del smog

Las partículas de hollín o carbono producto de combustión, el anhídrido sulfúrico (SO2) y el contaminante secundario –ácido sulfúrico (H2SO4)-, también intervienen en la producción de smog.

El ozono en la tropósfera reacciona con los dobles enlaces C=C de los tejidos pulmonares, de tejidos de plantas y de animales, produciendo daños severos. Adicionalmente, el ozono puede causar daños en materiales como el de los neumáticos de los automóviles, produciendo agrietamientos por las mismas razones.

El smog fotoquímico es causa de graves problemas respiratorios, ataques de tos, irritación nasal y de la garganta, respiración más breve, dolor de pecho, rinitis, irritación ocular, disfunción pulmonar, disminución de la resistencia a contraer enfermedades infecciosas respiratorias, envejecimiento prematuro de los tejidos pulmonares, bronquitis severas, fallas cardíacas y muertes.

En ciudades como Nueva York, Londres, Ciudad de México, Atlanta, Detroit, Salt Lake City, Varsovia, Praga, Stuttgart, Beijing, Shanghai, Seul, Bangkok, Bombay, Calcuta, Delhi, Yacarta, El Cairo, Manila, Karachi, denominadas megaciudades, los episodios críticos pico de smog fotoquímico han sido causa de alarma y medidas especiales de restricción de circulación.

Algunos investigadores han reportado que la contaminación originada por dióxido de azufre (SO2) y los sulfatos provocan una disminución en la resistencia a contraer cáncer de mama y de colon, en poblaciones que habitan las latitudes septentrionales.

El mecanismo sugerido para explicar estos hechos es que el smog, al dispersar la luz solar incidente sobre la tropósfera, provoca una disminución de la radiación ultravioleta tipo B (UV-B) disponible, la cual es necesaria para la síntesis bioquímica de la vitamina D. La vitamina D funciona como agente protector de los dos tipos de cáncer.

De esta manera, podemos ver que un exceso de radiación ultravioleta de alta energía es muy dañino para la salud, pero también el déficit de radiación tipo UV-B tiene efectos nocivos.

Referencias

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  5. Xue, L., Gu, R., Wang, T., Wang, X., Saunders, S., Blake, D., Louie, P. K. K., Luk, C. W. Y., Simpson, I., Xu, Z., Wang, Z., Gao, Y., Lee, S., Mellouki, A., and Wang, W.: Oxidative capacity and radical chemistry in the polluted atmosphere of Hong Kong and Pearl River Delta region: analysis of a severe photochemical smog episode, Atmos. Chem. Phys., 16, 9891-9903, https://doi.org/10.5194/acp-16-9891-2016, 2016.
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Biólogo egresada de la Universidad de Los Andes.

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