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 media de ozono en la atmósfera de la Tierra en su conjunto es de unas 0,3 partes por millón. La capa de ozono se encuentra principalmente en la porción inferior de la estratosfera, de aproximadamente 15 a 35 kilómetros (9 a 22 millas) sobre la Tierra, aunque su espesor varía estacionalmente 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 emitida desde su superficie y que llega al suelo en la Tierra suele ser consistente con el espectro de un cuerpo negro con una temperatura en el rango de 5.500-6.000 K (5.230-5.730 °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 correspondió 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 Dobsonímetro ) que podría usarse para medir el ozono estratosférico desde el suelo. Entre 1928 y 1958, Dobson estableció una red mundial de estaciones de monitoreo de ozono, que siguen funcionando hasta el día de hoy. La " Unidad Dobson " (UD), una medida conveniente de la cantidad de ozono en la superficie, recibe su nombre en su honor.
La capa de ozono absorbe entre el 97 y el 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, las investigaciones atmosféricas revelaron que la capa de ozono estaba siendo destruida por las sustancias químicas liberadas por la industria, principalmente los clorofluorocarbonos (CFC). La preocupación por el aumento de la radiación ultravioleta debido a la destrucción de la capa de ozono amenazaba la vida en la Tierra, incluido el aumento del cáncer de piel en los seres humanos y otros problemas ecológicos [4] , condujo a la prohibición de estas sustancias químicas, y la evidencia más reciente es que la destrucción de la capa de ozono se ha ralentizado o detenido. La Asamblea General de las Naciones Unidas ha designado el 16 de septiembre como el Día Internacional de 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 de oxígeno ordinarias que contienen dos átomos de oxígeno (O2 ) , dividiéndolas en átomos de oxígeno individuales ( oxígeno atómico ); el oxígeno atómico luego se combina con O2 intacto para crear ozono, O3 . La molécula de ozono es inestable (aunque, en la estratosfera, tiene una vida larga) y cuando la luz ultravioleta incide sobre el ozono, se divide en una molécula de O2 y un átomo individual de oxígeno, un proceso continuo llamado ciclo ozono-oxígeno . Químicamente, esto puede describirse como:
Aproximadamente el 90 por ciento del ozono de la atmósfera se encuentra en la estratosfera. Las concentraciones de ozono son mayores entre los 20 y los 40 kilómetros (66.000 y 131.000 pies), donde oscilan entre 2 y 8 partes por millón. Si todo el ozono se comprimiera a la presión del aire a nivel del mar, tendría un espesor de tan solo 3 milímetros ( 1 ⁄ 8 de pulgada). [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 que proviene del Sol. La radiación ultravioleta extremadamente corta o de vacío (10-100 nm) es filtrada por el nitrógeno. La radiación ultravioleta capaz de penetrar el nitrógeno se divide en tres categorías, según su longitud de onda; se denominan UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) y UV-C (280-100 nm).
La radiación UV-C, muy dañina para todos los seres vivos, es totalmente bloqueada 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 dañina 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 el cáncer de piel . La capa de ozono (que absorbe desde aproximadamente 200 nm hasta 310 nm con una absorción máxima a aproximadamente 250 nm) [7] es muy eficaz para bloquear la radiación 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, algo de radiación UV-B, particularmente en sus longitudes de onda más largas, llega a la superficie y es importante 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 UV es significativamente menos dañina para el ADN , aunque todavía puede causar potencialmente daños físicos, 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, por lo general, 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 estación 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 por los 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 la primavera y más delgada en el otoño. [9] Cuando el ozono se produce por la radiación UV solar en los trópicos, lo hace mediante la circulación que eleva el aire pobre en ozono fuera de la troposfera y lo lleva a 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 inferiores de la atmósfera. [9]
Las investigaciones han demostrado 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 pasar 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 superan las 600 DU y promedian 450 DU, mientras que 400 DU constituían un máximo habitual en la Antártida antes del agotamiento antropogénico del ozono. Esta diferencia se produjo de forma natural 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 a 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 sobre 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 verse afectada por catalizadores de radicales libres , entre ellos el óxido nítrico (NO), el óxido nitroso ( N2O ), 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 se liberan por la acción de la luz ultravioleta. Cada radical queda entonces 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 más daña la capa de ozono (SAO) emitida a través de las actividades humanas. [13]
La descomposición del ozono en la estratosfera produce una menor absorción de la radiación ultravioleta. En consecuencia, la radiación ultravioleta no absorbida y peligrosa puede alcanzar la superficie de la Tierra con una mayor intensidad. Los niveles de ozono han disminuido en un promedio mundial de alrededor del 4 por ciento desde finales de la década de 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 delgado. Las partes más delgadas del ozono están 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 otras cosas, 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 los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiental (NAAQS) con la contaminación por ozono como uno de los seis contaminantes criterio. Esta regulación ha demostrado ser eficaz ya que los condados, ciudades y regiones tribales deben cumplir con estos estándares y la EPA también proporciona asistencia para que cada región regule los contaminantes. [15] La presentación eficaz de la 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 la información sobre el agotamiento del ozono, el cambio climático y varios temas relacionados. El caso del ozono se comunicó a los legos "con metáforas de fácil comprensión derivadas de la cultura popular" y relacionadas con "riesgos inmediatos con relevancia cotidiana". [16] Las metáforas específicas utilizadas en el debate (escudo de ozono, agujero de ozono) resultaron bastante útiles y, en comparación con el cambio climático global, el caso del ozono se consideró mucho más como un "tema candente" y un riesgo inminente. Los legos se mostraron cautelosos respecto del agotamiento de la capa de ozono y los riesgos de cáncer de piel.
Los satélites que se queman al reingresar a la atmósfera terrestre producen nanopartículas de óxido de aluminio ( Al2O3 ) que perduran en la atmósfera durante décadas. [17] Solo para 2022 , se estima que habrá unas 17 toneladas métricas (unos 30 kg de nanopartículas por cada satélite de unos 250 kg). [17] El aumento de la población de constelaciones de satélites puede acabar provocando un agotamiento significativo del ozono. [17]
El ozono "malo" puede provocar efectos adversos para la salud (dificultad para respirar) y se ha demostrado que es un agravante de enfermedades respiratorias como el asma , la EPOC y el enfisema . [18] Por eso, muchos países han establecido regulaciones para mejorar el ozono "bueno" y evitar 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. [19] Con una regulación eficaz, se espera que el ozono se cure con el tiempo. [20]
En 1978, Estados Unidos, Canadá y Noruega promulgaron prohibiciones a los aerosoles que contienen CFC que dañan la capa de ozono, pero la Comunidad Europea rechazó una propuesta similar. En Estados Unidos, los clorofluorocarbonos siguieron utilizándose en otras aplicaciones, como la refrigeración y la limpieza industrial, hasta después del descubrimiento del agujero de ozono antártico en 1985. Después de la negociación de un tratado internacional (el Protocolo de Montreal ), la producción de CFC se limitó a los niveles de 1986 con compromisos de reducciones a largo plazo. [21] Esto permitió una introducción gradual de diez años para los países en desarrollo [22] (identificado en el artículo 5 del protocolo). Desde entonces, el tratado fue enmendado para prohibir la producción de CFC después de 1995 en los países desarrollados, y más tarde en los países en desarrollo. [23] Los 197 países del mundo han firmado el tratado. A partir del 1 de enero de 1996, solo los CFC reciclados o almacenados estaban disponibles para su uso en países desarrollados como Estados Unidos. La eliminación gradual de la producción fue posible gracias a los esfuerzos por garantizar que hubiera productos químicos y tecnologías sustitutos para todos los usos de las SAO. [24]
El 2 de agosto de 2003, los científicos anunciaron que el agotamiento global de la capa de ozono podría estar desacelerándose debido a la regulación internacional de las sustancias que la agotan. 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 esperaba que continuara cierta degradación debido a las SAO utilizadas por naciones que no las han prohibido, y debido a los gases que ya se encuentran en la estratosfera. Algunas SAO, incluidos los CFC, tienen una vida atmosférica muy larga que va de 50 a más de 100 años. Se ha estimado que la capa de ozono se recuperará a los niveles de 1980 cerca de mediados del siglo XXI. [25] En 2016 se informó de una tendencia gradual hacia la "curación". [26]
Se han diseñado compuestos que contienen enlaces C–H (como los hidroclorofluorocarbonos o HCFC) para reemplazar a los CFC en ciertas 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. [27] 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 generan un gradiente de concentración entre la atmósfera y el océano. Este compuesto organohalogenado puede disolverse en las aguas superficiales del océano y actuar como un trazador dependiente del tiempo . Este trazador ayuda a los científicos a estudiar la circulación oceánica al rastrear vías biológicas, físicas y químicas. [28]
Como el ozono de la atmósfera impide que la mayor parte de la radiación ultravioleta alcance la superficie de la Tierra, los datos astronómicos en estas longitudes de onda deben recopilarse desde satélites que orbitan por encima de la atmósfera y la capa de ozono. La mayor parte de la luz de las estrellas jóvenes y calientes está en el 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. [29]
