Un agujero en el cielo Understand article

Traducido por William Medina-Jerez. Department of Teacher Education. University of Texas-El Paso. El Paso, TX. USA. Hace 25 años, el descubrimiento del agujero en la capa de ozono fue una gran noticia. ¿Cómo se han desarrollado las cosas desde ese entonces?Tim Harrison y Dudley…

El descubrimiento del agujero

Fue un hallazgo fortuito, así lo recuerda Jonathan Shanklin, uno de los descubridores: quien al integrarse al equipo de Investigación Británica en la Antártica^w1 en 1977, se le había encomendado la digitalización de la acumulación de información sobre las mediciones de la capa de ozono—hasta ese entonces, escrita a mano en tablas de datos. Como después se supo, esta información incluyó la década crucial, los 70s, cuando los niveles de ozono comenzaron a elevarse.

Ya se conocía, con preocupación, que los compuestos industrials fluoroclorocarbonados (CFCs)—compuestos orgánicos como el tricloruro de metano (CFCl₃) y el diclorurodifluorometano (CF₂Cl₂), por ese entonces bien conocidos por su uso en refrigerantes, propeledores, (en latas de spray) y en solventes—podrían destruir la capa de ozono. Para el día de apertura en 1983, Shanklin preparó un gráfico—irónicamente para mostrar que la información sobre el ozono para ese año no era diferente de la información de hace 20 años. Aunque esto era cierto para los niveles generales del ozono, él observó que los valores para los niveles en la primavera no parecían más bajos al ir de un año al otro. Estudios subsiguientes corroboraron este hecho, y en 1985 Shaklin y sus colegas Joe Farman y Brian Gardiner publicaron su hallazgo: Cada primavera en el hemisferio sur, el agujero en la capa de ozono sobre la antártica, probablemente fue causado por CFCs, continúa creciendo  (Farman et al., 1985).

¿Cuál es la química detrás de esto, y por qué es el agujero en la capa de ozono peligroso?

El Ozono en la estratosfera

El ozono (O₃) es una forma triatómica de oxígeno (O₂). muy inestable. Es un gas azul pálido presente en concentraciones bajas en la atmósfera—y un arma de doble filo: en la troposfera (ver abajo), el ozono es un gas contaminante el cual puede afectar el sistema respiratorio humano y el de otros animales y causar quemaduras a plantas. La capa de ozono en la estratosfera, sin embargo, es beneficiosa, evita que la mayor parte de la luz ultravioleta peligrosa (UV) emitida por el sol llegue a la superficie de la tierra.

La taza de producción de ozono se maximiza en la estratosfera, la segunda capa más alta de la atmósfera terrestre (ubicada entre los 10-50 km de altitud; ver la imagen), mediante un mecanismo fotoquímico:

O₂ + hν               → O• + O•            λ ~ 200 nm                (1)

O• + O₂ + M         → O₃ + M                                            (2)

Una molécula de oxígeno (O₂) absorbe un fotón de luz ultraviolet (hν) con una longitude de onda (λ) aproximada de 200 nm disociándose en dos átomos de oxígeno (O•) (reacción 1). Después cada uno de ellos se combina con otra molécula de oxígeno para producir ozono, si la presión (M) es suficientemente alta (aproximadamente una milísema parte de una atmósfera) para estabilizar la recién formada molécula de ozono (reacción 2). Entre más alta sea la altitud, más alta será la velocidad de la reacción 1 (por debajo de 20 km de altitud no hay fotones a 200 nm, pues han sido absorbidos en la reacción 1). La velocidad de la reacción 2, sin embargo, es más rápida cerca a la sufercie terrestre, donde la presión atmosférica es más alta. Como resultado, la máxima cantidad de ozono se crea entre los 25 y los 30 km de altitud (ver el gráfico).

La estratósfera tiene dos consecuencias importantes para la vida en la tierra. Primero, el ozono absorbe radiación UV de alta energía a los 250 nm (reacción 3):

O₃ + hν    →    O• + O₂    λ ~ 250 nm   Δ_H = – 90 kJ mol^-1     (3)

Entre ellos, el oxígeno (reacción 1) y el ozono (reacción 3) filtran de la atmósfera la mayor parte de la radiación de onda corta UV entre los 200 y los 300 nm, los cuales de otra manera serían bastante dañinos para la vida en la tierra.

Segundo, la reacción 3 produce una gran cantidad de calor, por lo cual la estratosfera es más caliente que la capa más exterior de la troposfera (ver imagen a la izquierda), haciendo que el clima en la troposfera sea menos extremo de lo que realmente podría ser.

Las reacciones 2 y 3 rápidamente interconvierten átomos de oxígeno y ozono. Sin embargo, hay otra reacción lenta, la cual destruye átomos de oxígeno y ozono. La reacción entre estas dos species:

O• + O₃      →      O₂ + O₂                                               (4)

Las reacciones 1-4 se resumen en el diagrama siguiente.

Los ciclos naturales catalíticos reducen los niveles de ozono

En 1995, Paul Crutzen, Mario Molina y F. Sherwood Rowland fueron distinguidos con el Premio Nobel en Química por su trabajo en la formación y descomposición del ozono en la estratosfera. ¿De qué se trató todo esto? In los 70s, Crutzen y otros descubrieron la existencia de ciclos naturales catalíticos que aceleran la reacción 4 y reducen la cantidad de ozono en la estratosfera (Crutzen, 1970,1971): agua (H₂O), metano (CH₄), óxido nitroso (N₂O) y clorometano (CH₃Cl) son liberados en la atmósfera provenientes de procesos biológicos que ocurren en la superficie terrestre, y conducen a la formación de radicales tales como el hidroxil (OH•), óxido nítrico (NO•) y cloro (Cl•), los cuales catalizan la descomposición del ozono.

La reacción 5 muestra el clorometano liberado por los radicales cloro en la estratósfera mediante fotólosis, y las reacciones 6 y 7 son un ejemplo del ciclo catalítico (ver diagrama abajo). Las reacciones de los otros agentes catalíticos son análogas de las reacciones 6 y 7. El clorometano es liberado en parte por los organismos marinos y terrestres, tales como las algas rojas, hongos blancos descompuestos y plantas superiores, para regular los niveles de los iones cloro en las células y—después de 30-40 años—poder alcanzar la estratósfera exterior (aproximadamente 40 km de altitud) donde se descompone por la luz solar (fotólosis):

CH₃Cl   +   hν       →       •CH₃  +  Cl•               l ~ 200 nm       (5)

The resulting chlorine free radical (Cl•) can then participate in a catalytic cycle:

Cl•    +    O₃         →         ClO•  +  O₂                                   (6)

ClO•  +    O•         →          Cl•   +  O₂                                   (7)

Las reacciones 6 y 7 son en realidad equivalentes de la reacción 4, pero ocurren mucho más rápido—en el caso del ciclo radical cloro/monóxido de cloro (ClO•), cerca de 30 000 veces más rápido. Entonces, ¿por qué estos ciclos catalíticos no destruyen todo el ozono? La respuesta está en la terminación de estos ciclos vía fomación de moléculas estables:

Cl•  +  CH₄                 →    •CH₃  +  HCl                                 (8)

ClO•  +  •NO₂ +  M      →    ClONO₂  +  M                                (9)

Eventualmente, un radical cloro libre encontrará una molécula de metano y reaccionará para formar ácido hidroclórico (HCl, reacción 8). Similarmente, un radical monóxido de cloro se unirá a un radical de dióxido de nitrógeno, formando un cloro nitrato (ClONO₂, reacción 9)—otra reacción dependiente de la presión que en consecuencia funciona mejor en altitudes bajas. Los dos, el ácido clorhídrico y el cloro nitrato son muy estables, y la remoción de cloro y radicales de monóxido de cloro eventualmente detienen el ciclo catalítico.

El rompecabezas del agujero en la capa de ozono en al Antártica

No hace mucho tiempo que los científicos observaron que los CFCs podrían activar un ciclo catalítico similar al de la degradación del ozono: en 1974, Molina y Rowland no solo advirtieron que los niveles de CFCs se habían incrementado sin ninguna regulación, también predijeron que los CFCs causarían una pérdida adicional significativa de ozono al rededor de los 40 km de altitud (ver Molina & Rowland, 1974).  Sin embargo, cuando el agujero en la capa de ozono fue finalmente descubierto en 1985, fue ubicado al rededor de los 20 km de altitud, sobre el Polo Sur en el hemisferio sur en la estación de primavera (ver Farman et al., 1985).

Pronto se supo que los radicales libres de cloro de los CFCs eran los responsables, pero muchas preguntas permanecieron sin respuesta. ¿Por qué el agujero se ubicaba en el Polo Sur? ¿Por qué no en el Polo Norte? ¿Por qué solamente en la estación de primavera? Y, ¿por qué el agujero en la capa de ozono estaba a los 20 km de altitud y no a los 40 km, como se había anticipado? Después de todo, los CFCs no podrían ser descompuestos por la luz solar a una altitud tan baja como a los 20 km, pues la densidad de fotones era insuficiente. Por la misma razón, no hay una suficiente cantidad de átomos de oxígeno producidos a esta altitud para que ocurra la reacción 7. Muchos años de investigación subsiguiente revelarón la historia completa.

Primero, los radicales libres de cloro liberados de los CFCs, e.g.

             CFCl₃  +  hν    →    •CFCl₂  +  Cl•        l ~ 200 nm           (10)

podrían reaccionar con el metano (reacción 8) formando ácido hidroclórico, o con ozono (reacción 6) formando radicales de monóxido de cloro, y mediante la reacción 9 podría subsecuentemente formar cloro nitrato. Esta secuencia de reacciones incrementaría las concentraciones de ácido hidroclórico y cloro nitrato al rededor de los 40 km de altitud.

Cada invierno en el Hemisferio Sur, el polo sur se torna oscuro durante aproximandamente tres meses. El aire de la estratosfera sobre le Polo Sur se enfría; sin la radiación UV, la reacción 3 no ocurre, y en consecuencia no se libera calor. El aire desciende y la rotación de la tierra hace que se forme un vortex, como cuando el agua escapa a través de un orificio. Este vortex o remolino es tan fuerte que no hay aire del area exterior que pueda entrar, igualmente el aire de su interior no puede escapar. El aire rico en ácido hidroclórico y cloro nitrato a los 40 km de altitud es absorbido y conducido al interior del vortex frio y oscuro.

En el frio extremo del invierno polar, el aire del vortex se enfría tanto (por debajo de los -78°C / 195K) y a una altitud de 15-25 km, que las nubes estratosféricas polares forman agua y/o critales ácidos.

La peculiaridad química que ocurre aquí es que el ácido hidroclórico y el cloro nitrato al ser absorbidos por la nubes estratosféricas polares pasan rápidamente por una reacción heterogénea de gas a la fase sólida, produciendo ácido nítrico (HNO3) que llega a ser incorporado en los cristales de hielo, mientras que el cloro (Cl₂) es liberado como gas.

HCl + ClONO₂ → HNO₃ + Cl₂ nubes estratosféricas polares (11)

Esta reacción ocurre durante todo el invierno, siempre que las temperaturas sean suficientemente frías para formar nubes estratosféricas polares. Cuando las luz solar retorna en la primavera, hay suficientes moléculas de cloro al rededor de los 15-25 km de altitud, las cuales son fotolizadas para producir radicales de cloro:

Cl₂ + hν →   Cl• + Cl•   l ~ 350 nm           (12)

y subsecuentes radicales de monóxido de cloro via reacción 6.

Sin embargo, durante la primavera polar, la reacción 7 (la formación de radicales cloro y moléculas de oxígeno a partir de los radicales de monóxido de cloro y radicales oxígeno) es muy lenta debido a la baja cantidad de átomos de oxígeno presentes como consecuencia de la escacez de fotones a los 200 nm a esta altitud, y es aquí donde una segunda peculiaridad química ocurre. A temperaturas bajas, como en el vortex polar –el cual es muy frío inclusive en el primavera—los radicales de monóxido de cloro pueden formar un dímero, peróxido de cloro (ClOOCl):

ClO• + ClO• →  ClOOCl                             (13)

Este dímero es inestable a temperatura ambiente pero se forma bastante rápido a temperaturas bajas (por debajo de -30 °C) y pueden ser fotolizadas:

ClOOCl + hν →  Cl• + O₂ + Cl•  l ~ 300 nm   (14)

Aunque la reacción 7 no puede ocurrir, la reacción 14 se da como una forma de regenerar radicales libres de cloro con la ayuda de la luz, y es de esta manera que el ciclo catalítico, el cual causa la destrucción del ozono, puede iniciar de manera intensa con el retorno de la luz solar.

¿De qué manera difiere esto con los ciclos catalíticos que consideramos anteriormente? — ¿Por qué hay una remoción total de ozono a ciertas altitudes en este vortex? Primero, la reacción 8 (la cual remueve radicales cloro y también puede terminar el ciclo) es muy lenta a las temperaturas bajas del vortex, y consecuentemente inefectiva. Segundo, todo el dióxido de nitrógeno requerido para la reacción 9 (la cual podría de la misma manera terminar el ciclo, mediante la formación de ClONO₂) ha sido convertido en ácido nítrico durante el invierno (e.g., en las reacciones 9-11) y no está disponible para ser regenerado debido a que no hay un flujo ascendente en el vortex (en la base del vortex, el aire fluye desde el Polo Sur al Ecuador donde el flujo ascendete ocurre). Por consiguiente el ciclo transcurre de manera desapersivida y destruye todo el ozono a ese nivel. Finalmente, sin el ozono, reacción 3, el cual de otra manera calentaría esta región, se encuentra ausente, y de esta manera el vortex se mantiene en la primavera, agravando la destrucción del ozono.

La única razón por la cual el agujero en la capa de ozono es más severo en el Polo Sur que en el Polo Norte es debido a que las temperaturas de primavera en la estratósfera sobre el Polo Norte son un poco más altas que en el Polo Sur. La presencia de más cadenas montañosas de mediana y alta altitud en el Hemisferio Norte cambian la dinámica del flujo atmosférico, lo que conlleva a la poca cantidad de nubes estratosférica polares.

Al final de la primavera, el flujo de aire rico en ozono calienta el vortex mediante la reacción 3, lo que conlleva a su eventual destrucción. En virtud de los intercambios posibles con otras partes de la atmósfera, el agujero en la capa de ozono se recarga con ozono del aire circundante.

Durante algunos años, el agujero en la capa de ozono sobre la Antártica crece lo suficiente como para alcanzar a cubrir a Australia, Nueva Zelanda, Chile, y Argentina, un tamaño 1.5 veces superior al de los Estados Unidos; y cuando la magnitud del agujero en la capa de ozono se recrudece, el aire pobre en ozono se traslada hacia áreas pobladas, como por ejemplo Sur Africa. Para las personas en estos países, el agujero en la capa de ozono trae una amaneza directa para su salud. La preocupación principal es la continua exposición a los rayos ultravioleta, los cuales pueden causar cáncer en la piel y cataratas oculares. Además la radiación ultravioleta excesiva causa daños a plantas y a materiales de construcción.

Los CFCs y el ozono hoy

Actualmente contamos con una buena comprensión de los procesos físicos y químicos que gobiernan la capa de ozono.

Una vez el verdadero impacto de los CFCs sobre el deterioro de la capa de ozono se hizo aparente, gobiernos del mundo aprobaron regulaciones con el objetivo de detener el uso de CFCs, reemplazándolos con especies alternativas, de corta vida (hidrofluorocarbonados e hidroclorofluorocarbonados), los cuales eventualmente también serían retirados: El Protocolo de Montreal de 1987 y en especial las enmiendas hechas en 1990 y en 1992, las cuales promovieron la eliminación rápida de estas species fueron exitosas.

La información más reciente de la AGAGE (Estudio Global Avanzado de Gases Atmosféricos)^w2, el cual ha estado monitoreando los niveles de CFCs y sus sustitutos desde 1978, muestra que los niveles atmosféricos de diclorodifluorometano (CF2Cl2), el CFC más duradero, están reduciéndose: la legislación ha sido efectiva (izquierda). Un agujero en la capa de ozono continúa formándose durante la estación de primavera sobre el Polo Sur, pero se estima que para el año 2050 esto no seguirá sucediendo, y que para el año 2080 el ozono global retornará a los niveles de los años 1950s

The ozone hole is the result of an increased use of CFCs, which began in the 1930s – like any other gas, CFCs take 30-40 years to reach the upper stratosphere, which means that there is a corresponding lag in their effect on the ozone layer. We are currently experiencing the stratospheric chlorine peak resulting from the highest levels of CFC use in the 1980s – so the maximum size the ozone hole reaches each year should begin to decrease a few years from now.

Aunque la recuperación es lenta, se cree que definitivamente el desastre se ha prevenido: los científicos han calculado que si el uso de CFCs hubiese continuado al ritmo de crecimiento de los 1970s, de un 3% por año, esto hubiese conducido a la formación de un agujero global para el año 2060, con todos los problemas de salud que hubiese acarreado (ver a la derecha; Newman et al., 2009).

Quizá la lección más importante que se puede aprender del agujero en la capa de ozono es la manera rápida como nuestro planeta puede cambiar como resultado del impacto humano—especialmente hacia lo negativo, pero también en cuanto a mejoramientos—y que los cambios son posibles si tomamos medidas concertadas, efectivas y rápidas.

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