Capa de ozono
La capa de ozono u ozonosfera 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, desde aproximadamente 15 a 35 kilómetros (9 a 22 millas) sobre la Tierra, aunque su espesor varía según la estación y la geografía.
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 5500 a 6000 K (5230 a 5730 ° C), excepto que no había radiación por debajo de una longitud de onda de unos 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 emparejó con un solo químico conocido, el ozono.Sus propiedades fueron exploradas en detalle por el meteorólogo británico GMB 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 de ozono, que continúan operando hasta el día de hoy. La "unidad Dobson", una medida conveniente de la cantidad de ozono, recibe 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 podría dañar las formas de vida expuestas cerca de la superficie.
En 1976, la investigación atmosférica reveló que la capa de ozono se estaba agotando por las sustancias químicas liberadas por la industria, principalmente los clorofluorocarbonos (CFC). Las preocupaciones de que el aumento de la radiación ultravioleta debido al agotamiento del ozono amenazaba la vida en la Tierra, incluido el aumento del cáncer de piel en humanos y otros problemas ecológicos, llevaron a la prohibición de los productos químicos, y la evidencia más reciente es que el agotamiento del ozono se ha desacelerado o detenido. La Asamblea General de las Naciones Unidas ha designado el 16 de septiembre como 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.
Fuentes
Los mecanismos fotoquímicos que dan lugar 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 golpea moléculas de oxígeno ordinarias que contienen dos átomos de oxígeno (O 2), dividiéndolas en átomos de oxígeno individuales. (oxígeno atómico); el oxígeno atómico luego se combina con O 2 intacto para crear ozono, O 3. La molécula de ozono es inestable (aunque, en la estratosfera, tiene una vida larga) y cuando la luz ultravioleta golpea 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 en la atmósfera está contenido en la estratosfera. Las concentraciones de ozono son mayores entre 20 y 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 al nivel del mar, tendría solo 3 milímetros (1 ⁄ 8 de pulgada) de espesor.
Luz ultravioleta
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. Los rayos ultravioleta 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 denominan UV-A (400–315 nm), UV-B (315–280 nm) y UV-C (280–100 nm).
La UV-C, que es muy dañina para todos los seres vivos, es completamente eliminada por una combinación de dioxígeno (< 200 nm) y ozono (> aproximadamente 200 nm) a una altitud de alrededor de 35 kilómetros (115 000 pies). La radiación UV-B puede ser dañina para la piel y es la principal causa de las 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 de aproximadamente 200 nm a 310 nm con una absorción máxima de aproximadamente 250 nm) 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 mayor que en la superficie de la Tierra. Sin embargo, algo de UV-B, particularmente en sus longitudes de onda más largas, llega a la superficie y es importante para la piel.
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 aún puede causar daño físico, envejecimiento prematuro de la piel, daño genético indirecto y cáncer de piel.
Distribución en la estratosfera
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. 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 la intensidad solar.
La mayor parte del ozono se produce sobre los trópicos y es transportado hacia los polos por patrones de vientos estratosféricos. En el hemisferio norte, estos patrones, conocidos como la circulación de Brewer-Dobson, hacen que la capa de ozono sea más gruesa en primavera y más delgada en otoño. Cuando el ozono es producido por la radiación ultravioleta solar en los trópicos, lo hace mediante la circulación que eleva el aire pobre en ozono de la troposfera hacia la estratosfera, donde el sol fotoliza las moléculas de oxígeno y las convierte en ozono. Luego, el aire rico en ozono se transporta a latitudes más altas y cae a las capas más bajas de la atmósfera.
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 pasar de los trópicos a latitudes más altas, las concentraciones son mayores en las latitudes altas del norte que en las latitudes altas del sur, con columnas de ozono de primavera en las latitudes altas del norte que ocasionalmente superan las 600 UD y promedian las 450 UD, mientras que 400 UD constituyen una máximo habitual en la Antártida antes del agotamiento antropogénico del ozono. Esta diferencia ocurrió 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.La diferencia entre las latitudes altas del norte y del sur ha aumentado desde la década de 1970 debido al fenómeno del agujero de ozono. Las cantidades más altas 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.
Agotamiento
La capa de ozono se puede agotar por los 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 organohalógenos artificiales, especialmente clorofluorocarbonos (CFC) y bromofluorocarbonos.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. 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 mayor sustancia que agota la capa de ozono (SAO) emitida por las actividades humanas.
La descomposición del ozono en la estratosfera da como resultado una absorción reducida de la 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 fines de la década de 1970. Para 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, y se describen como "agujeros de ozono". 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.
Regulación
Para respaldar los intentos de regulación exitosos, el caso del ozono se comunicó a los legos "con metáforas puente fáciles de entender derivadas de la cultura popular" y relacionadas con "riesgos inmediatos con relevancia cotidiana". 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 se consideró mucho más como un "tema candente" y un riesgo inminente. Los laicos se mostraron cautelosos sobre el agotamiento de la capa de ozono y los riesgos de cáncer de piel.
En 1978, Estados Unidos, Canadá y Noruega prohibieron los aerosoles que contienen CFC que dañan la capa de ozono. La Comunidad Europea rechazó una propuesta análoga para hacer lo mismo. En los EE. UU., los clorofluorocarbonos continuaron utilizándose en otras aplicaciones, como refrigeración y 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 1986. niveles con compromisos de reducciones a largo plazo. Esto permitió una introducción paulatina de diez años para los países en desarrollo (identificados 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.Hoy, los 197 países del mundo han firmado el tratado. A partir del 1 de enero de 1996, solo los CFC reciclados y almacenados estaban disponibles para su uso en países desarrollados como los EE. UU. Esta eliminación gradual de la producción fue posible gracias a los esfuerzos para garantizar que hubiera productos químicos y tecnologías sustitutos para todos los usos de SAO.
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 agotan el ozono. En un estudio organizado por la Unión Geofísica Estadounidense, tres satélites y tres estaciones terrestres confirmaron que la tasa de agotamiento del ozono en la atmósfera superior disminuyó significativamente durante la década anterior. Se puede esperar que continúen algunas fallas 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 útil atmosférica muy prolongada, 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. En 2016 se informó una tendencia gradual hacia la "curación".
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 es menos probable que sobrevivan lo 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. Estos, a su vez, están siendo reemplazados por hidrofluorocarbonos (HFC) y otros compuestos que no destruyen en absoluto el ozono estratosférico.
Los efectos residuales de los CFC que se acumulan en la atmósfera dan lugar a un gradiente de concentración entre la atmósfera y el océano. Este compuesto organohalógeno puede disolverse en las aguas superficiales del océano y puede actuar como un marcador dependiente del tiempo. Este marcador ayuda a los científicos a estudiar la circulación oceánica mediante el seguimiento de vías biológicas, físicas y químicas.
Implicaciones para la astronomía
Como el ozono en la atmósfera evita que la radiación ultravioleta más energética llegue a la superficie de la Tierra, los datos astronómicos en estas longitudes de onda deben recopilarse de los satélites que orbitan sobre la atmósfera y la capa de ozono. La mayor parte de la luz de las estrellas calientes jóvenes se encuentra 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.
Esta imagen GALEX de la nebulosa Cygnus Loop no pudo haber sido tomada desde la superficie de la Tierra porque la capa de ozono bloquea la radiación ultravioleta emitida por la nebulosa.
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