La capa de ozono o escudo de ozono es una región de la estratosfera de la Tierra que absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta del Sol . Contiene una alta concentración de ozono (O 3 ) en relación con otras partes de la atmósfera, aunque todavía pequeña en relación con otros gases de la estratosfera. La capa de ozono contiene menos de 10 partes por millón de ozono, mientras que la concentración promedio de ozono en la atmósfera de la Tierra en su conjunto es de aproximadamente 0,3 partes por millón. La capa de ozono se encuentra principalmente en la parte inferior de la estratosfera, aproximadamente de 15 a 35 kilómetros (9 a 22 millas) sobre la Tierra, aunque su espesor varía estacional y geográficamente. [1]
La capa de ozono fue descubierta en 1913 por los físicos franceses Charles Fabry y Henri Buisson . Las mediciones del Sol mostraron que la radiación enviada desde su superficie y que llega al suelo de la Tierra suele ser consistente con el espectro de un cuerpo negro con una temperatura en el rango de 5.500 a 6.000 K (5.230 a 5.730 °C), excepto que no había radiación por debajo de una longitud de onda de aproximadamente 310 nm en el extremo ultravioleta del espectro. Se dedujo que la radiación faltante estaba siendo absorbida por algo en la atmósfera. Finalmente, el espectro de la radiación faltante se comparó con una sola sustancia química conocida: el ozono. [2] Sus propiedades fueron exploradas en detalle por el meteorólogo británico G. MB Dobson , quien desarrolló un espectrofotómetro simple (el Dobsonmeter ) que podría usarse para medir el ozono estratosférico desde el suelo. Entre 1928 y 1958, Dobson estableció una red mundial de estaciones de monitoreo del ozono, que continúa funcionando hasta el día de hoy. La " unidad Dobson ", una medida conveniente de la cantidad de ozono sobre la superficie, lleva su nombre en su honor.
La capa de ozono absorbe del 97 al 99 por ciento de la luz ultravioleta de frecuencia media del Sol (de aproximadamente 200 nm a 315 nm de longitud de onda ), que de otro modo dañaría potencialmente las formas de vida expuestas cerca de la superficie. [3]
En 1985, una investigación atmosférica reveló que la capa de ozono se estaba agotando debido a las sustancias químicas liberadas por la industria, principalmente clorofluorocarbonos (CFC). La preocupación de que el aumento de la radiación ultravioleta debido al agotamiento del ozono amenazara la vida en la Tierra, incluido el aumento del cáncer de piel en humanos y otros problemas ecológicos, [4] llevó a la prohibición de estos productos químicos, y la evidencia más reciente es que el agotamiento del ozono se ha ralentizado o se ha detenido. La Asamblea General de las Naciones Unidas ha designado el 16 de septiembre como el Día Internacional para la Preservación de la Capa de Ozono .
Venus también tiene una fina capa de ozono a una altitud de 100 kilómetros sobre la superficie del planeta. [5]
Los mecanismos fotoquímicos que dan origen a la capa de ozono fueron descubiertos por el físico británico Sydney Chapman en 1930. El ozono en la estratosfera de la Tierra se crea cuando la luz ultravioleta incide sobre moléculas ordinarias de oxígeno que contienen dos átomos de oxígeno (O 2 ), dividiéndolas en átomos de oxígeno individuales. ( oxígeno atómico ); Luego, el oxígeno atómico se combina con el O 2 intacto para crear ozono, O 3 . La molécula de ozono es inestable (aunque, en la estratosfera, de larga vida) y cuando la luz ultravioleta incide sobre el ozono, se divide en una molécula de O 2 y un átomo individual de oxígeno, un proceso continuo llamado ciclo ozono-oxígeno . Químicamente, esto se puede describir como:
Alrededor del 90 por ciento del ozono de la atmósfera está contenido en la estratosfera. Las concentraciones de ozono son mayores entre aproximadamente 20 y 40 kilómetros (66.000 y 131.000 pies), donde oscilan entre aproximadamente 2 y 8 partes por millón. Si todo el ozono se comprimiera a la presión del aire al nivel del mar, tendría sólo 3 milímetros ( 1 ⁄ 8 de pulgada) de espesor. [6]
Aunque la concentración de ozono en la capa de ozono es muy pequeña, es de vital importancia para la vida porque absorbe la radiación ultravioleta (UV) biológicamente dañina proveniente del sol. Los rayos UV extremadamente cortos o de vacío (10-100 nm) se filtran con nitrógeno. La radiación ultravioleta capaz de penetrar el nitrógeno se divide en tres categorías, según su longitud de onda; estos se conocen como UV-A (400 a 315 nm), UV-B (315 a 280 nm) y UV-C (280 a 100 nm).
Los rayos UV-C, que son muy dañinos para todos los seres vivos, son completamente bloqueados por una combinación de dioxígeno (< 200 nm) y ozono (> aproximadamente 200 nm) a unos 35 kilómetros (115 000 pies) de altitud. La radiación UV-B puede ser perjudicial para la piel y es la principal causa de quemaduras solares ; la exposición excesiva también puede causar cataratas, supresión del sistema inmunológico y daño genético, lo que resulta en problemas como cáncer de piel . La capa de ozono (que absorbe desde aproximadamente 200 nm a 310 nm con una absorción máxima a aproximadamente 250 nm) [7] es muy eficaz para filtrar los rayos UV-B; Para la radiación con una longitud de onda de 290 nm, la intensidad en la parte superior de la atmósfera es 350 millones de veces más fuerte que en la superficie de la Tierra. Sin embargo, algunos rayos UV-B, especialmente en sus longitudes de onda más largas, llegan a la superficie y son importantes para la producción de vitamina D en la piel de los mamíferos .
El ozono es transparente a la mayoría de los rayos UV-A, por lo que la mayor parte de esta radiación UV de longitud de onda más larga llega a la superficie y constituye la mayor parte de los rayos UV que llegan a la Tierra. Este tipo de radiación ultravioleta es significativamente menos dañina para el ADN , aunque aún puede causar daño físico, envejecimiento prematuro de la piel, daño genético indirecto y cáncer de piel. [8]
El espesor de la capa de ozono varía en todo el mundo y generalmente es más delgada cerca del ecuador y más gruesa cerca de los polos. [9] El espesor se refiere a la cantidad de ozono que hay en una columna sobre un área determinada y varía de una temporada a otra. Las razones de estas variaciones se deben a los patrones de circulación atmosférica y a la intensidad solar. [10]
La mayor parte del ozono se produce en los trópicos y es transportado hacia los polos mediante patrones de viento estratosféricos. En el hemisferio norte, estos patrones, conocidos como circulación Brewer-Dobson , hacen que la capa de ozono sea más gruesa en primavera y más delgada en otoño. [9] Cuando el ozono se produce por la radiación solar ultravioleta en los trópicos, se hace mediante la circulación que eleva el aire pobre en ozono fuera de la troposfera y hacia la estratosfera, donde el sol fotoliza las moléculas de oxígeno y las convierte en ozono. Luego, el aire rico en ozono es transportado a latitudes más altas y cae a las capas más bajas de la atmósfera. [9]
Las investigaciones han encontrado que los niveles de ozono en los Estados Unidos son más altos en los meses de primavera de abril y mayo y más bajos en octubre. Si bien la cantidad total de ozono aumenta al trasladarse de los trópicos a latitudes más altas, las concentraciones son mayores en las altas latitudes del norte que en las altas latitudes del sur, con columnas de ozono primaveral en las altas latitudes del norte que ocasionalmente exceden las 600 UD y promedian las 450 DU, mientras que 400 DU constituían una máximo habitual en la Antártida antes del agotamiento antropogénico del ozono. Esta diferencia se produjo naturalmente debido al vórtice polar más débil y la circulación Brewer-Dobson más fuerte en el hemisferio norte debido a las grandes cadenas montañosas de ese hemisferio y los mayores contrastes entre las temperaturas terrestres y oceánicas. [11] La diferencia entre las altas latitudes del norte y del sur ha aumentado desde la década de 1970 debido al fenómeno del agujero de ozono . [9] Las mayores cantidades de ozono se encuentran en el Ártico durante los meses de primavera de marzo y abril, pero la Antártida tiene las cantidades más bajas de ozono durante los meses de verano de septiembre y octubre.
La capa de ozono puede agotarse mediante catalizadores de radicales libres , incluidos el óxido nítrico (NO), el óxido nitroso (N 2 O), el hidroxilo (OH), el cloro atómico (Cl) y el bromo atómico (Br). Si bien existen fuentes naturales para todas estas especies , las concentraciones de cloro y bromo aumentaron notablemente en las últimas décadas debido a la liberación de grandes cantidades de compuestos organohalogenados artificiales , especialmente clorofluorocarbonos (CFC) y bromofluorocarbonos . [12] Estos compuestos altamente estables son capaces de sobrevivir al ascenso a la estratosfera , donde los radicales Cl y Br son liberados por la acción de la luz ultravioleta. Luego, cada radical queda libre para iniciar y catalizar una reacción en cadena capaz de descomponer más de 100.000 moléculas de ozono. En 2009, el óxido nitroso era la sustancia que agota la capa de ozono (SAO) más emitida a través de las actividades humanas. [13]
La descomposición del ozono en la estratosfera da como resultado una reducción de la absorción de radiación ultravioleta. En consecuencia, la peligrosa radiación ultravioleta no absorbida puede llegar a la superficie de la Tierra con mayor intensidad. Los niveles de ozono han disminuido en un promedio mundial de alrededor del 4 por ciento desde finales de los años 1970. En aproximadamente el 5 por ciento de la superficie de la Tierra, alrededor de los polos norte y sur, se han observado disminuciones estacionales mucho mayores, que se describen como "agujeros de ozono". Los "agujeros de ozono" son en realidad parches en la capa de ozono en los que el ozono es más fino. Las partes más delgadas del ozono se encuentran en los puntos polares del eje de la Tierra . [14] El descubrimiento del agotamiento anual del ozono sobre la Antártida fue anunciado por primera vez por Joe Farman , Brian Gardiner y Jonathan Shanklin , en un artículo que apareció en Nature el 16 de mayo de 1985.
Los intentos de regulación han incluido, entre otros, la Ley de Aire Limpio implementada por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . La Ley de Aire Limpio introdujo el requisito de Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental (NAAQS), siendo la contaminación por ozono uno de los seis contaminantes criterio. Esta regulación ha demostrado ser efectiva ya que los condados, ciudades y regiones tribales deben cumplir con estos estándares y la EPA también brinda asistencia a cada región para regular los contaminantes. [15] La presentación eficaz de información también ha demostrado ser importante para educar a la población general sobre la existencia y la regulación del agotamiento del ozono y los contaminantes. Sheldon Ungar escribió un artículo científico en el que el autor explora y estudia cómo funciona la información sobre el agotamiento de la capa de ozono, el cambio climático y varios temas relacionados. El caso del ozono se comunicó a los profanos "con metáforas puente fáciles de entender derivadas de la cultura popular" y relacionadas con "riesgos inmediatos con relevancia cotidiana". [16] Las metáforas específicas utilizadas en la discusión (escudo de ozono, agujero de ozono) resultaron bastante útiles y, en comparación con el cambio climático global, el caso del ozono fue mucho más visto como un "tema candente" y un riesgo inminente. Los profanos se muestran cautelosos ante el agotamiento de la capa de ozono y los riesgos de cáncer de piel.
El ozono "malo" puede causar riesgos adversos para la salud, efectos respiratorios (dificultad para respirar) y está demostrado que es un agravante de enfermedades respiratorias como asma , EPOC y enfisema . [17] Es por eso que muchos países han establecido regulaciones para mejorar el ozono "bueno" y prevenir el aumento del ozono "malo" en áreas urbanas o residenciales. En términos de protección del ozono (la preservación del ozono "bueno"), la Unión Europea tiene directrices estrictas sobre qué productos se pueden comprar, distribuir o utilizar en áreas específicas. [18] Con una regulación eficaz, se espera que el ozono se recupere con el tiempo. [19]
En 1978, Estados Unidos, Canadá y Noruega prohibieron los aerosoles que contienen CFC y que dañan la capa de ozono. La Comunidad Europea rechazó una propuesta análoga para hacer lo mismo. En Estados Unidos, los clorofluorocarbonos continuaron utilizándose en otras aplicaciones, como la refrigeración y la limpieza industrial, hasta después del descubrimiento del agujero de ozono en la Antártida en 1985. Después de la negociación de un tratado internacional (el Protocolo de Montreal ), la producción de CFC se limitó a 1986. niveles con compromisos de reducciones a largo plazo. [20] Esto permitió una introducción gradual de diez años para los países en desarrollo [21] (identificados en el artículo 5 del protocolo). Desde entonces, el tratado fue modificado para prohibir la producción de CFC después de 1995 en los países desarrollados y más tarde en los países en desarrollo. [22] Hoy en día, los 197 países del mundo han firmado el tratado. A partir del 1 de enero de 1996, sólo los CFC reciclados y almacenados estaban disponibles para su uso en países desarrollados como Estados Unidos. Esta eliminación gradual de la producción fue posible gracias a los esfuerzos para garantizar que hubiera sustancias químicas y tecnologías sustitutivas para todos los usos de las SAO. [23]
El 2 de agosto de 2003, los científicos anunciaron que el agotamiento global de la capa de ozono podría estar desacelerando debido a la regulación internacional de las sustancias que agotan la capa de ozono. En un estudio organizado por la Unión Geofísica Americana , tres satélites y tres estaciones terrestres confirmaron que la tasa de agotamiento del ozono en la atmósfera superior se desaceleró significativamente durante la década anterior. Se puede esperar que continúe cierta descomposición debido a las SAO utilizadas por naciones que no las han prohibido y a los gases que ya se encuentran en la estratosfera. Algunas SAO, incluidos los CFC, tienen una vida atmosférica muy larga, que oscila entre 50 y más de 100 años. Se ha estimado que la capa de ozono se recuperará a los niveles de 1980 a mediados del siglo XXI. [24] En 2016 se informó de una tendencia gradual hacia la "curación". [25]
Los compuestos que contienen enlaces C-H (como los hidroclorofluorocarbonos o HCFC) se han diseñado para reemplazar a los CFC en determinadas aplicaciones. Estos compuestos de reemplazo son más reactivos y tienen menos probabilidades de sobrevivir el tiempo suficiente en la atmósfera para llegar a la estratosfera, donde podrían afectar la capa de ozono. Si bien son menos dañinos que los CFC, los HCFC pueden tener un impacto negativo en la capa de ozono, por lo que también se están eliminando gradualmente. [26] Estos, a su vez, están siendo reemplazados por hidrofluorocarbonos (HFC) y otros compuestos que no destruyen el ozono estratosférico en absoluto.
Los efectos residuales de los CFC que se acumulan en la atmósfera provocan un gradiente de concentración entre la atmósfera y el océano. Este compuesto organohalogenado es capaz de disolverse en las aguas superficiales del océano y puede actuar como un trazador dependiente del tiempo . Este trazador ayuda a los científicos a estudiar la circulación oceánica rastreando vías biológicas, físicas y químicas. [27]
Como el ozono en la atmósfera impide que la radiación ultravioleta más energética llegue a la superficie de la Tierra, los datos astronómicos en estas longitudes de onda deben recopilarse de satélites que orbitan por encima de la atmósfera y la capa de ozono. La mayor parte de la luz de las estrellas jóvenes calientes es ultravioleta, por lo que el estudio de estas longitudes de onda es importante para estudiar los orígenes de las galaxias. El Galaxy Evolution Explorer, GALEX , es un telescopio espacial ultravioleta en órbita lanzado el 28 de abril de 2003, que funcionó hasta principios de 2012. [28]
