Capa de ozono

La capa de ozono o escudo de ozono es una región de la estratosfera terrestre que absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta del Sol . Contiene una alta concentración de ozono (O₃ ₎ en relación con otras partes de la atmósfera, aunque sigue siendo baja en comparación con otros gases de la estratosfera. La concentración máxima de ozono en la capa de ozono oscila entre 8 y 15 partes por millón ^{[ 1 ]} , mientras que la concentración media de ozono en la atmósfera terrestre 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 estacional y geográficamente ^{[ 2 ] .} 

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 5500–6000 K (5230–5730 °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 coincidió con un solo compuesto químico conocido: el ozono. ^{[ 3 ]} Sus propiedades fueron exploradas en detalle por el meteorólogo británico G. MB Dobson , quien desarrolló un espectrofotómetro simple (el Dobsonmeter ) que podía 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 " (UD), una medida práctica de la cantidad de ozono en la atmósfera, lleva 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 (con una longitud de onda de aproximadamente 200 nm a 315 nm), que de otro modo podría dañar las formas de vida expuestas cerca de la superficie. ^{[ 4 ]}  

En 1985, una investigación atmosférica reveló que la capa de ozono se estaba agotando debido a los productos químicos liberados por la industria, principalmente los clorofluorocarbonos (CFC). La preocupación de que el aumento de la radiación UV debido al agotamiento de la capa de ozono amenazara la vida en la Tierra, incluyendo el aumento del cáncer de piel en humanos y otros problemas ecológicos, ^{[ 5 ]} llevó a la prohibición de estos productos químicos, y la evidencia más reciente indica que el agotamiento 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 delgada capa de ozono a una altitud de 100 kilómetros sobre la superficie del planeta. ^{[ 6 ]}

La capa de ozono de la Tierra se formó hace unos 500 millones de años, cuando el evento de oxigenación del Neoproterozoico elevó la fracción de oxígeno en la atmósfera a aproximadamente un 20%. ^{[ 7 ]}

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 terrestre 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 se combina luego con el O₂ intacto _para crear ozono, O₃ _. La molécula de ozono es inestable (aunque, en la estratosfera, tiene una larga vida útil) y cuando la luz ultravioleta incide sobre el ozono, este se divide en una molécula de O₂ _y un átomo de oxígeno individual, un proceso continuo denominado ciclo ozono-oxígeno . Químicamente, esto se puede describir como:

${\displaystyle {\ce {O2{}+{\mathit {h}}\nu _{uv}->2O}}}$

${\displaystyle {\ce {O + O2 <-> O3}}}$

Aproximadamente el 90% del ozono atmosférico se encuentra en la estratosfera. Las concentraciones de ozono son mayores entre los 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 a nivel del mar, tendría un espesor de tan solo 3 milímetros ( 1/8 de pulgada) . ^{[ 8 ]} 

Aunque la concentración de ozono en la capa de ozono es muy baja, es vital para la vida porque absorbe la radiación ultravioleta (UV) biológicamente dañina proveniente del Sol. La radiación UV de longitud de onda extremadamente corta o de vacío (10–100  nm) es filtrada por el nitrógeno. La radiación UV capaz de penetrar el nitrógeno se divide en tres categorías, según su longitud de onda: UV-A (400–315  nm), UV-B (315–280  nm) y UV-C (280–100  nm).

La radiación UV-C, que es muy dañina para todos los seres vivos, es filtrada completamente 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 inmunitario y daño genético, lo que resulta en problemas como cáncer de piel . La capa de ozono (que absorbe desde aproximadamente 200 nm hasta 310 nm con una absorción máxima a unos 250 nm) ^{[ 9 ]} es muy eficaz para filtrar 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 mayor que en la superficie de la Tierra. Sin embargo, parte de la 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 mayor parte de la radiación 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 la radiación UV que llega a la Tierra. Este tipo de radiación UV es significativamente menos dañina para el ADN , aunque aún puede causar daños físicos, envejecimiento prematuro de la piel, daños genéticos indirectos y cáncer de piel. ^{[ 10 ]}

El espesor de la capa de ozono varía en todo el mundo y, por lo general, es más delgado cerca del ecuador y más grueso cerca de los polos. ^{[ 11 ]} El espesor se refiere a la cantidad de ozono en una columna sobre un área determinada y varía según la estación del año. Las razones de estas variaciones se deben a los patrones de circulación atmosférica y a la intensidad solar. ^{[ 12 ]}

La capa de ozono desaparece gradualmente, pero en general su límite superior se encuentra donde el aire se vuelve demasiado tenue para que la luz ultravioleta genere mucho ozono, y su límite inferior se encuentra donde el ozono generado bloquea suficiente luz ultravioleta como para detener la mayor parte de la producción de ozono.

En la homosfera , el movimiento impulsado por el viento es más importante que el peso relativo del gas. La mayor parte del ozono se produce sobre los trópicos y es transportado hacia los polos por los patrones de viento 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. ^{[ 11 ]} Cuando el ozono se produce por la radiación UV solar en los trópicos, se produce mediante una circulación que eleva el aire pobre en ozono desde la troposfera 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 desciende a las capas inferiores de la atmósfera. ^{[ 11 ]}

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 moverse 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 primaverales en altas latitudes del norte que ocasionalmente superan los 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 naturalmente debido al vórtice polar más débil y la circulación de Brewer-Dobson más fuerte en el hemisferio norte debido a las grandes cadenas montañosas de ese hemisferio y los mayores contrastes entre las temperaturas de la tierra y el océano. ^{[ 13 ]} 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 . ^{[ 11 ]} Las mayores cantidades de ozono se encuentran sobre el Ártico durante los meses de primavera de marzo y abril, pero la Antártida tiene las menores cantidades de ozono durante los meses de verano de septiembre y octubre,

La capa de ozono puede agotarse por catalizadores de radicales libres , incluidos 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 . ^{[ 14 ]} Los componentes atmosféricos no se clasifican por peso en la homosfera debido a la mezcla impulsada por el viento que se extiende hasta una altitud de aproximadamente 90 km, muy por encima de la capa de ozono. Así, a pesar de ser más pesados ​​que el nitrógeno y el oxígeno diatómicos, estos compuestos altamente estables ascienden a la estratosfera , donde los radicales Cl y Br se liberan por la acción de la luz ultravioleta. Cada radical es 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 agotaba la capa de ozono (SAO) se emitía a través de las actividades humanas. ^{[ 15 ]}

La descomposición del ozono en la estratosfera produce una absorción reducida de la radiación ultravioleta. En consecuencia, la radiación ultravioleta no absorbida y peligrosa llega a la superficie terrestre con mayor intensidad. Los niveles de ozono han disminuido en un promedio mundial de aproximadamente un 4 por ciento desde finales de la década de 1970. En aproximadamente el 5 por ciento de la superficie terrestre, alrededor de los polos norte y sur, se han observado descensos estacionales mucho mayores, que se describen como "agujeros de ozono". Los "agujeros de ozono" son en realidad parches en la capa de ozono donde el ozono es más delgado. Las partes más delgadas del ozono se encuentran en los puntos polares del eje terrestre . ^{[ 16 ]} 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 (EPA ). Esta ley introdujo el requisito de las Normas Nacionales de Calidad del Aire Ambiente (NAAQS), siendo la contaminación por ozono uno de los seis contaminantes criterio. Esta regulación ha demostrado ser eficaz, ya que los condados, ciudades y regiones tribales deben cumplir con estas normas, y la EPA también brinda asistencia a cada región para regular los contaminantes. ^{[ 17 ]} 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 de la capa de ozono y los contaminantes. Sheldon Ungar escribió un artículo científico en el que explora y estudia cómo se comunica la información sobre el agotamiento de la capa de ozono, el cambio climático y diversos temas relacionados. El caso del ozono se comunicó a personas no expertas "con metáforas sencillas derivadas de la cultura popular" y relacionadas con "riesgos inmediatos de relevancia cotidiana". ^{[ 18 ]} 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 percibió como un tema mucho más candente y un riesgo inminente. La gente común se mostró cautelosa ante el 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 permanecen en la atmósfera durante décadas. ^{[ 19 ]} Las estimaciones para 2022 fueron de aproximadamente 17 toneladas métricas (unos 30 kg de nanopartículas por cada satélite de aproximadamente 250 kg). ^{[ 19 ]} El aumento de las constelaciones de satélites puede provocar, a la larga, un agotamiento significativo de la capa de ozono. ^{[ 19 ]}  

El ozono “malo” puede causar riesgos adversos para la salud, como efectos respiratorios (dificultad para respirar), y se ha demostrado que agrava enfermedades respiratorias como el asma , la EPOC y el enfisema . ^{[ 20 ]} Por ello, muchos países han establecido regulaciones para mejorar el ozono “bueno” y prevenir el aumento del ozono “malo” en áreas urbanas o residenciales. En cuanto a la protección de la capa de ozono (la preservación del ozono “bueno”), la Unión Europea cuenta con directrices estrictas sobre qué productos pueden comprarse, distribuirse o utilizarse en áreas específicas. ^{[ 21 ]} Con una regulación eficaz, se espera que la capa de ozono se recupere con el tiempo. ^{[ 22 ]}

En 1978, Estados Unidos, Canadá y Noruega promulgaron prohibiciones sobre los aerosoles que contenían CFC y que dañaban la capa de ozono, pero la Comunidad Europea rechazó una propuesta similar. 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 antártico en 1985. Tras 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. ^{[ 23 ]} Esto permitió una transición gradual de diez años para los países en desarrollo ^{[ 24 ]} (identificados en el Artículo 5 del protocolo). Desde entonces, el tratado se modificó para prohibir la producción de CFC después de 1995 en los países desarrollados y, posteriormente, en los países en desarrollo. ^{[ 25 ]} Los 197 países del mundo han firmado el tratado. A partir del 1 de enero de 1996, solo se disponía de CFC reciclados o almacenados para su uso en países desarrollados como Estados Unidos. La eliminación gradual de la producción fue posible gracias a los esfuerzos por garantizar que habría productos químicos y tecnologías sustitutivas para todos los usos de las SAO. ^{[ 26 ]}

El 2 de agosto de 2003, los científicos anunciaron que el agotamiento global de la capa de ozono podría estar ralentizándose 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 ralentizó significativamente durante la década anterior. Se esperaba que cierto deterioro continuara debido a las SAO utilizadas por países que no las han prohibido y a los gases ya presentes en la estratosfera. Algunas SAO, incluidos los CFC, tienen vidas medias atmosféricas muy largas, que oscilan entre 50 y más de 100 años. Se ha estimado que la capa de ozono se recuperará a los niveles de 1980 hacia mediados del siglo XXI. ^{[ 27 ]} En 2016 se informó de una tendencia gradual hacia la "recuperación". ^{[ 28 ]}

Los compuestos que contienen enlaces C–H (como los hidroclorofluorocarbonos o HCFC) se han diseñado 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 alcanzar 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. ^{[ 29 ]} 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 se disuelve en las aguas superficiales del océano y actúa como un trazador dependiente del tiempo . Este trazador ayuda a los científicos a estudiar la circulación oceánica al rastrear las vías biológicas, físicas y químicas. ^{[ 30 ]}

Dado que el ozono en la atmósfera impide que la mayor parte de la radiación ultravioleta energética llegue a la superficie de la Tierra, los datos astronómicos en estas longitudes de onda deben obtenerse de 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 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 Explorador de la Evolución Galáctica ( GALEX ) es un telescopio espacial ultravioleta en órbita, lanzado el 28 de abril de 2003, que operó hasta principios de 2012. ^{[ 31 ]}

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  Esta imagen de GALEX de la nebulosa del Bucle del Cisne no podría haberse tomado desde la superficie de la Tierra porque la capa de ozono bloquea la radiación ultravioleta emitida por la nebulosa.

• explosión cámbrica
• Invierno nuclear
• Oxígeno
• Contaminantes climáticos de corta duración
• Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente

Ciencia

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Política

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• Ozono estratosférico: un libro de texto electrónico
• Información sobre la capa de ozono (archivada el 2 de julio de 2004)
• El servicio de ozono estratosférico de CAMS proporciona mapas, conjuntos de datos e informes de validación sobre el estado pasado y actual de la capa de ozono.