L'ozonosfera
1. Què és l'ozó?
Molècula formada per tres àtoms d´oxigen, amb geometria angular i longituds d´enllaç de 1.27 Å, que correspon a un intermig entre els enllaços simple i doble; per tant, es tracta d´una estructura que presenta ressonància.
Es un gas altament tòxic que es troba a una concentració màxima als 25-30 km d´altura respecte el nivell del mar, anomenada capa d´ozó, que existeix des de fa molts milions d´anys i constitueix un embolcall que absorbeix radiació UV procedent del Sol. Existeixen autors que apunten a l'existència de compostos de nitrogen d´origen natural com els responsables del nivell raonablement constant d´ozó. A la troposfera és considerat un contaminant que contribueix a la formació de l´smog fotoquímic i de la pluja àcida.
2. Formació i distribució de l'ozó en l'atmosfera
L´ozó es troba desigualment repartit al llarg de l´atmosfera, però anomenem OZONOSFERA a la capa de major densitat d´ozó, que es troba per sobre de l´estratosfera i per sota de la ionosfera. La seva formació és deguda al bombardeig de les molècules d´oxígen per ions i electrons procedents del Sol. La capa presenta variacions al llarg del temps i segons el lloc geogràfic, augmentant des de l´equador fins els pols, i presentant un màxim a la primavera i un mínim a la tardor.
L´ozó es forma quan les radiacions UV descomposen les molècules d´oxigen atmosfèric que es combinen amb altres molècules d´oxigen; l´ozó així format es descomposa per les radiacions UV, mantenint així un balanç:
I) Ruptura homolítica d´una molècula d´oxigen mitjançant la interacció amb un fotó, produint dues espècies radical oxigen; aquesta primera etapa es considera lenta i, per tant, la determinant de la velocitat.
O2 + hf = 2 O·
II) Reacció entre un radical oxigen i una molècula d´oxigen per formar una molècula d´ozó; aquesta segona etapa és ràpida.
O2 + O· = O3
La formació natural de l´ozó té lloc des de fa milions d´anys, però els compostos naturals de nitrogen presents a l´atmosfera poden ser responsables de què la concentració d´ozó s´hagi mantingut a uns nivells relativament constants.
3. Antecedents històrics
L´ozó va ser descobert i nombrat per Schoebein al 1840, per aplicació de descàrregues elèctriques intenses sobre l´oxígen, i al 1861 Addlin va establir la seva descomposició.
A la dècada de 1970, els investigadors de l´Antàrtida van observar una pèrdua periòdica de l´ozó, i al 1985 una convenció de les Nacions Unides, coneguda com el Protocol de Montreal, va proposar l´eliminació gradual dels gasos CFCs, considerats la principal font de destrucció de la capa d'ozó.
4. Descripció física de l'atmosfera
A la troposfera la temperatura baixa amb l´alçada, afavorint desplaçaments de masses d´aire tant en sentit vertical com en horitzontal, ajudant a la dispersió de contaminants emesos; aquesta capa de mescla constitueix una barrera tèrmica. Una altra barrera que impedeix el pas a l'estratosfera és la presència d´importants quantitats de radicals hidroxil, que participen en la degradació dels contaminants, però transforma els òxids de sofre i nitrogen en pluja àcida.
L´origen d´aquesta circulació global de masses d´aire és la major incidència de radiació electromagnètica solar en l´equador que en els pols, produint un gradient de temperatura que obliga que l´aire calent de l´equador es desplaci a latituds majors. A l´equador, l´escalfament de l´aire a la superfície provoca que les masses d´aire ascendeixin i s´espandeixin, originant un gradient de pressió nord-sud que obliga que l´aire es desplaci a latituds menors.
La Terra descriu una òrbita el.líptica amb una inclinació de 30º respecte l´equador, exposant diferents zones a la radiació electromagnètica solar i provocant 3 àrees de ciruculació d´aire a cada hemisferi, anomenades CEL.LULES DE HADLEY. Un altre efecte de la rotació terrestre són els VENTS ALISIS, sistemes circulatoris de direcció est-oest. En general, la conseqüència és que es troben masses d´aire calent i humit (procedents de l'equador) amb fred i sec (procedents dels pols) creant una inestabilitat atmosfèrica que origina ciclons† i anticiclons itinerants i alternatius. També hem de considerar moviments periòdics locals, com les brises MARINA i CONTINENTAL.
5. L'ozó és la font principal de radicals hidroxil
La principal font de generació de radicals hidroxil, que constitueixen una barrera natural al pas dels contaminants a l´alta atmosfera, és l´ozó: la introducció d´ozó a la troposfera té lloc a latituds mitjanes degut a les turbulències generades en la zona de confluència de les cèl.lules de Hadley tropical i intermèdia; els radicals es poden combinar formant aigua oxigenada mitjançant un mecanisme fotocatalític en el que intervenen òxids semiconductors com el diòxid de titani o l´òxid de zinc, presents a la troposfera com a partícules sòlides a causa de l´erosió dels sòls, i els quals són activats per la llum solar produint reaccions redox.
6. L'ozó és un gas d'efecte hivernacle
Quan la radiació solar travessa l´atmosfera, part és absorbida per aquesta i part és reflexada per la superfície terrestre i pels núvols. La resta aconsegueix arribar a la superfície, escalfant-la; finalment, la superfície transfereix calor a l´atmosfera (radiació IR) la qual és parcialment absorbida per l´atmosfera i la resta surt a l´exterior. D´aquesta manera, l´atmosfera contribueix a mantenir la calor a la Terra.
Els gasos d´efecte hivernacle són gasos que absorbeixen la radiació IR emesa per la superfície, tornant a radiar aquesta energia amb major longitud d´ona. El principal és el vapor d´aigua, responsable del 80% de l´efecte hivernacle. Altres, considerats com gasos traça, són el diòxid de carboni, el metà, els òxids de nitrogen, l´ozó i els clorofluorocarbonis (CFC).
L´ozó és el causant del 15% de l´efecte hivernacle, essent cada molècula 2 000 vegades més efectiva que una molècula de diòxid de carboni.
El cicle biogeoquímic de l´energia, és la part natural de "l´efecte hivernacle" que afavoreix l´existència de la biosfera sobre la superfície. Observa que el 50% de la radiació solar és interceptada pels núvols, que reemeten el 25% del total cap l´exterior. Un 2% de l´energia queda retinguda als núvols i el 23% restant arriba a l´escorça terrestre. De l´altre 50% de la radiació solar, un 19% travessa l´atmosfera per arribar directament a la superfície; un 17% del total és absorbida pels gasos de l´atmosfera, especialment l´ozó, el vapor d´aigua i el diòxid de carboni; un 12% és reflectida per l´atmosfera, de la qual un 7% marxa cap l´exterior i l´altre 5% arriba a la superfície. Finalment, un 2% del total és reflectit per l'escorça.
7. L'ozó troposfèric forma part del smog fotoquímic
7.1. El per què de l'existència d'ozó a la troposfera com un contaminant
El microclima dels centres urbans produeix una acumulació de contaminants d´origen antropogènic; si l´atmosfera és estable el problema s'agreuja, sobretot en situacions en què hi ha un predomini d´anticicló estacionari que impedeix el moviment de masses d´aire, essent difícil el trencament de la inversió tèrmica originada durant les primeres hores del dia: els contaminants s´acumulen a la part baixa de l´atmosfera i reaccionen formant ozó i PANs (Peroxiacetilnitrats) entre d´altres contaminants secundaris.
El smog és un fenòmen típicament urbà, afavorit per la presència de matèria particulada i aerosols en suspensió que provenen principalment de fonts de combustió de carburants fòssils sòlids o líquids; aquestes partícules actuen com a centres de condensació, adsorbint una extensa gamma de contaminants en fase gas, les més fines de les quals poden ser respirades i dipositades als pulmons.
Els radicals hidroxil provoquen l´oxidació dels òxids de sofre i nitrogen als corresponents àcids, que són substàncies molt higroscòpiques i que actuen com a centres de nucleació, afavorint el smog.
7.2. L'ozó estratosfèric protegeix la biosfera de la radiació UV
La formació de l´ozó a l´alta atmosfera, és a dir, l´ozonosfera, que rodeja el planeta a una alçada aproximadament constant, absorbeix durant el procés la radiació UV, que és perjudicial pels organismes de la superfície.
Les radiacions UV afecten la capacitat d´absorció de llum en els vegetals durant la fotosíntesi. En els microorganismes, la principal víctima és el plancton, que és destruit per aquest tipus de radiació i, per tant, altera la cadena tròfica dels organismes aquàtics. Respecte els organismes terrestres, aquesta radiació és la principal causant de càncer de pell degut a la seva interacció amb l´ADN.
7.3. Mesura de l'ozó
L´ozó es mesura en Unitats Dobson; mil UD equivalen a una columna uniforme d´ozó d´un cm de grossor en condicions normals de pressió i temperatura. Hem de descriure l´època i el lloc per poder decidir si els nivells mesurats són alts o baixos, ja que la capa varia segons l´època i el lloc geogràfic.
La nau espacial Galileo en la seva ruta cap a Júpiter va estudiar la capa d´ozó, i va descobrir que el principal forat era més gran del que s'esperava, i que es trobava rodejat d´una fina capa de gel cristal.litzat; alguns investigadors consideraven que el gel que cobreix el forat en la capa d´ozó és un catalitzador fotosensible de la seva destrucció.
La tècnica més emprada en la mesura de la capa d´ozó és la Tècnica d´Absorció Diferencial, que es basa en les mesures de la irradiació solar que arriba a la superfície terrestre a dues longituds d´ona molt properes, que compleixen que l´atenuació deguda a l´ozó difereixin molt entre ambdues. En aquesta regió de l´espectre, l´atenuació de la irradiància solar deguda a altres components atmosfèrics és molt semblant; per tant, calculem el quocient de les irradiàncies a les dues l , que ens dóna la quantitat d´ozó total.
7.4. La reducció de l'ozo estratosfèric
En certa mesura, la disminució de la capa d´ozó pot ser moderada per l´augment en la concentració estratosfèrica d´altres gasos traça que produeixen l´efecte hivernacle: diòxid de carboni, metà i òxid nitrós, ja que també absorbeixen radiació UV a través de reaccions fotoquímiques, però no és un efecte suficient davant la destrucció de la capa d´ozó.
Inicialment, es va formar un forat de la capa en l´Antàrtida, que creixia contínuament; després d'un temps, es van crear nous forats, degut a la reducció en la densitat de la capa, al Pol Nord i a diversos punts de l´hemisferi Nord entre les latituds que corresponen als països industrialitzats. A continuació, l'ozonosfera va queda perforada, on les zones d'absència d'ozó es traslladaven pels moviments de la capa. Finalment, l'ozó s'ha distribuit homogèniament arreu del planeta, però la seva densitat és molt més baixa i, per tant, la seva funció queda minvada.
Podeu consultar el següent article:
http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0041989
8. Agents antropogènics responsables de la destrucció de la capa d'ozó
8.1. Els CFCs
Els CFCs (clorofluorocarburs) són gasos que no es produeixen de manera natural ni s´eliminen en els cicles biogeoquímics; tenen major efectivitat en la capacitat de canvi de les propietats radiatives de l´atmosfera, contribuint a la quarta part de la intensificació de l´efecte hivernacle. Els CFCs han estat molt emprats industrialment en sistemes frigorífics i en fabricació d´aerosols.
El clor, el nitrogen i el bromur existeixen de forma natural a l´estratosfera, però la presència de CFCs han augmentat la concentració de clor i brom; actualment, 5/6 parts de la massa de clor present a l´atmosfera és d´origen antropogènic. A l´alta atmosfera només arriben els compostos de vida llarga, essent l´únic d´origen natural el clorur de metil, alliberat pels oceans a partir del fitoplancton i durant les erupcions volcàniques.
Els CFCs són compostos químics molt estables que ataquen la capa d´ozó; des de la superfície, triguen uns 8 anys en arribar a l´estratosfera, on resideixen durant un segle; són descomposats aquí pels raigs UV del Sol, alliberant àtoms de clor i brom que actuen com a catalitzadors en la reducció de l´ozó. Cadascun d´aquests àtoms clor i brom viu un segle aproximadament, i pot destruir 10 000 molècules d´ozó. A més, és un gas d'efecte hivernacle amb un fort impacte climàtic, representant fins un 20% dels gasos d´efecte hivernacle d´origen antropogènic.
Reacció de destrucció de l´ozó que produeix la protecció de la biosfera:
O3 + hf (UV) = O2 + O
Reacció de destrucció de l´ozó pel freó 12:
CF2Cl2 + hn (UV) = Cl· + · CF2Cl
Cl· + O3 + hf (UV) = ClO· + O2
ClO· + O = Cl· + O2
Reacció total: O3 + O = 2 O2
Als ritmes d´emissió fins l'any 2000, les dues modalitats de freons principals CFC-11 i CFC-12, són alliberades a l´atmosfera 6 vegades més de pressa que el procés de destrucció pels raigs UV del Sol a l´estratosfera; per aquesta raó, les concentracions augmenten vertiginosament a la troposfera i l´estratosfera. I a aquest problema hem d´afegir la seva persistència a l´atmosfera: una vida mitja 75-110 anys.
La producció de CFC-11 i CFC-12 va augmentar fins la dècada de 1970, va descendir el 26% de 1974 a 1982 i va tornar a augmentar a partir de la dècada de 1980. El descens descrit entre 1974 i 1982 va ser degut a una crisi econòmica mundial. L´Associació de Fabricants Químics AFQ va estimar una producció de 3 milions de tones al 1984, on les activitats responsables van ser el 39% per les escumes rígides i aerosols el 31%
8.2. Hidrocarburs
Els hidrocarburs constitueixen majoritàriament contaminants atmosfèrics d´origen antropogènic, i s´originen primordialment durant la combustió de combustibles fòssils. La llum solar reacciona amb aquests hidrocarburs i produeix ozó en la troposfera; atès que és molt inestable, l'ozó no pot ascendir fins l´estratosfera, constituint un contaminant a aquestes capes baixes atmosfèriques.
9. Per què es va formar un forat a l'Antàrtida?
Els agents que destrueixen la capa d´ozó són produïts majoritàriament a l´hemisferi Nord, on es troben els països industrialitzats. La capa de mescla assegura una dispersió de contaminants; per exemple, es pot considerar que en contingut en clor de l´atmosfera és homogeni sobre totes les latituds. Però els pols presenten unes condicions meteorològiques diferenciades degut a la diferent superfície terrestre: El Pol Sud conté grans extensions de terra rodejada de mar, condicions que produeixen baixes temperatures en l´estratosfera, creant núvols polars estratosfèrics que proporcionen un ambient químic propici per la destrucció de l´ozó en l´època de la Primavera Austral, que correspon entre septembre i desembre. En canvi, al Pol Nord les temperatures estratosfèriques són més elevades, i per tant, es formen menys núvols i la destrucció és menor.
10. Efectes potencials
-La radiació UV per sota de 290 nm destrueix ADN, ARN i proteïnes; per tant, l´exposició continuada és un perill per totes les formes de vida.
-Les radiacions UV entre 290 i 320 nm, que actualment arriben a la superfície, augmenten la possibilitat de desenvolupar càncer de pell.
-L´excés de radiació UV provoca malalties de la visió i el seu debilitament en els éssers humans, i les conseqüències sobre la resta de la biosfera són impredibles.
-L´augment de radiació inhibeix el sistema immunològic en els èssers humans; per tant, s´afavoreixen les infeccions i l´aparició de tumors i càncer.
-La quantitat i qualitat de les collites poden disminuir apreciablement, degut a l´impacte sobre el món vegetal.
-Es poden produir canvis en els ecosistemes marins: el fitoplancton, base de la cadena tròfica, i les larves es trobarien afectats. Les espècies aquàtiques són, en general, més sensibles que les dels ecosistemes terrestres, ja que les radiacions UV penetren dins l´aigua fins uns 20 m de profunditat en condicions transparents.
-Els polímers, entre d´altres materials, es degraden ràpidament; per tant, les infraestructures quedaran afectades, sent les pèrdues econòmiques incalculables.
-Efectes sobre el canvi climàtic: les conseqüències no es poden predir, però afectaran els processos climàtics degut a la transformació de la radiació en energia mecànica dels vents i en calor; per tant, els fenomens meteorològics seran més violents.
11. Normatives. Protocol de Montreal sobre les substàncies que disminueixen la capa d´ozó
Signat pels països de la Comunitat Europea el 16 de setembre de 1987. El pacte va entrar en vigor l´1 de gener de 1989 i fou ratificat per 11 països que representaven dues terceres parts del consum global de CFC i halons. El 29 de juny de 1990 els participals del Protocol de Montreal ja eren 56 països, es van reunir a Londres i van adoptar un document que revisava i ampliava el que s´havia acordat al Canadà. El Protocol de Montreal es basava en una estratègia de congelació d´emissions nocives als nivells actuals i, posteriorment, reducció fins la total eliminació. El protocol originari va estipular que la producció i consum de CFC havia de reduir-se al 50% dels nivells de 1986 quan s´arribés al 1993. La revisió acordada a Londres va estipular una reducció del 20% del consum de CFC al 1993, un 50% al 1995 i un 100% al 2000. A més, la reducció del 85% de tetracloril de carboni al 1994 i del 100% al 2000, i la reducció en un 70% pel cloroform al 2000 i eliminació al 2005.
El protocol va establir clàusules específiques pels països pobres, com un retard de 10 anys si el consum no excedia de 0.3 kg per càpita i una dedicació de 240 milions de dòlars durant els 3 primers anys administrat pel Banc Mundial, el Programa de les Nacions Unides pel Medi Ambient PNUMA i pel Programa de les Nacions Unides pel Desenvolupament PNUD.
Ministeri d'Agricultura, Alimentació i Medi Ambient: Problemàtica ambiental i contaminants
Normatives d'emissions al Ministeri d'Agricultura, Alimentació i Medi ambient
Normatives al Ministeri d'Agricultura, Alimentació i Medi Ambient referents a l'ozó
