Dentro del programa de conferencias del Aula Francisco Morán, que organiza la Asociación Meteorológica Española (AME), Alberto Redondas Marrero, responsable del Grupo de \»Ozono y Radiación Ultravioleta\» de AEMET, nos habló sobre el llamado \»agujero de ozono\» (realmente, es una disminución en su cantidad total) y su relación con el cambio climático. A continuación, se presenta un resumen.

Conceptos básicos sobre el agujero de ozono

El ozono (O₃) es un gas minoritario en la atmósfera terrestre que está formado por tres átomos de oxígeno, que se forma de manera natural a partir de oxígeno en presencia de radiación ultravioleta solar. La mayor parte del ozono atmosférico (en torno al 90%) se localiza en la estratosfera (figura 1, panel izquierdo), actuando como escudo de ciertas radiaciones ultravioleta (UV) procedentes del Sol, ya que el ozono absorbe estas radiaciones solares, descomponiéndose en oxígeno molecular (O₂) y atómico (O). Como tales radiaciones UV son muy energéticas, son por tanto dañinas a los seres vivos del planeta, por lo que el ozono estratosférico protege la vida en la Tierra.

En la baja atmósfera (troposfera) próxima a la superficie terrestre, el ozono se forma por reacciones fotoquímicas a partir de contaminantes producidos por la combustión en vehículos (hidrocarburos, óxidos de nitrógeno, …) y otras emisiones derivadas de actividades humanas. Por su carácter oxidante, altas concentraciones de ozono troposférico son perjudiciales para la salud humana y de plantas. 

Desde los años 1930 el ozono total se mide con espectrofotómetros, cuya base de medida es radiométrica, es decir, empleando radiación electromagnética. Posteriormente, se han desarrollado otras técnicas para medir ozono in-situ desde el suelo, y que permiten medirlo también desde satélites, aviones y con ozonosondeos (figura 1, panel derecho).

¿Qué es el “agujero de ozono“?

El llamado “agujero de ozono“ no es realmente ningún agujero donde no haya ozono, sino una región en la que la cantidad de ozono estratosférico disminuye excepcionalmente en la Antártida a inicios de la primavera austral.

La cantidad de ozono total varía geográfica y estacionalmente (figura 2), observándose pocas variaciones entre las estaciones del año en los trópicos (20ºN-20ºS). Por encima de los trópicos sí se observan cambios importantes a lo largo del año como resultado de la llamada “circulación de Brewer-Dobson”, que a gran escala transporta lentamente en la estratosfera aire rico en ozono  desde los trópicos (donde la producción natural de ozono en presencia de radiación UV es mayor) hacia los polos. De este modo, el ozono se acumula en latitudes medias y altas. Sin embargo, desde mediados de 1980 esto no se observa en la Antártida en la primavera del hemisferio sur (“agujero de ozono”), como muestra la figura 2 que ilustra la situación de 2021. Por otra parte, las variaciones estacionales de la cantidad total de ozono se debe a que el transporte latitudinal  de ozono hacia los polos es mucho más débil durante el verano y el otoño temprano, y débil en el hemisferio sur comparativamente al hemisferio norte.

¿Por qué ocurre el “agujero de ozono“?

La cantidad del ozono estratosférico es el resultado neto del ozono producido y destruido en reacciones fotoquímicas. Gases que contienen cloro y/o bromo destruyen ozono en ciclos catalíticos. Como resultado, un sólo átomo de cloro o bromo puede destruir miles de átomos de ozono antes de que aquel desaparezca de la atmósfera. De este modo, una pequeña cantidad de cloro o bromo tiene un gran impacto en la “capa de ozono”.

Una situación especial ocurre en las regiones polares durante la estación de finales de invierno o comienzos de primavera (presencia de luz solar), donde un aumento relevante del gas reactivo monóxido de cloro conduce a una importante disminución de ozono. Un ejemplo de reacciones en las que interviene el cloro (Cl) y el monóxido de cloro (ClO) en un ciclo catalítico es el siguiente:

Por otra parte, las condiciones termodinámicas de  la estratosfera antártica favorecen especialmente la ocurrencia de las reacciones que destruyen ozono: muy bajas temperaturas (inferiores a -78ºC) que dan lugar a la formación de las llamadas “nubes estratosféricas polares”,   en cuyo interior tienen lugar reacciones que destruyen ozono, y fuerte aislamiento del aire  por el intenso vórtice polar. Dadas las diferencias térmicas entre la estratosfera del Ártico y de la Antártida (más fría ésta última), la destrucción de ozono se observa prácticamente todos los años en la región polar austral mientras que sólo ocasionalmente en la región polar boreal.

Un poco de historia sobre el “agujero de ozono“

La figura 3 (panel superior) resume la secuencia de hitos ocurridos en relación con el “agujero de ozono” hasta 2022, y que se inicia en 1957, Año Geofísico Internacional en el que se crea la Primera Red Internacional para medir ozono a nivel global. Entre estos hitos, son destacables los siguientes:

• 1970: lanzamiento del primer satélite que mide ozono total.
• 1973: primeras medidas en superficie de clorofluorcarbonos (CFCs), sustancias que destruyen ozono estratosférico al liberar cloro y con ello desencadenar reacciones en cadena como el conjunto mostrado en la sección anterior, con el resultado neto de consumo de ozono. Mención especial merece el Dr. Mario Molina Pasquel, quien un año después propuso esta hipótesis, y por la que fue galardonado con el premio Nobel de Química en 1995.
• 1985: se registra el “agujero de ozono” en la Antártida, lo que conduce a iniciar a nivel internacional encuentros para tratar este problema y tomar medidas, y que se plasma en la celebración de la Convención de Viena para la Protección de la Capa de Ozono. Obsérvese el aumento creciente del total de “sustancias destructoras del ozono” (en términos de su equivalente a CFC-11) previo a este año (figura 3, panel inferior).
• 1987: se firma el Protocolo de Montreal por todos los países del mundo (por ello, un tratado excepcional), en el que se establece como objetivo  reducir la producción y consumo de “sustancias que destruyen el ozono” (ODS, por sus siglas en inglés, ozone-depleting substances), entre las que se encuentran los CFCs y otros gases que contienen cloro y bromo. Para acometer gradualmente este objetivo se propuso como sustituto de los CFCs en sus aplicaciones (refrigeradores, aire acondicionado, sprays, …) los hidroclorofluorcarbonos (HCFCs) que, si bien también son ODS, lo son en menor medida. Sin embargo, los HCFCs son gases de efecto invernadero (GEIs), unas 2000 veces más potente que el CO₂.

Posteriormente a 1987 el Protocolo de Montreal se ha modificado  con  Enmiendas y Ajustes, a medida que se ha avanzado en el conocimiento sobre el déficit de ozono estratosférico y en la disponibilidad de alternativas para sustituir las ODS. Así, en el Ajuste del 2007 del Protocolo de Montreal se introducen los hidrofluorocarbonos (HFCs) como sustitutos de los CFCs y los HCFCs, pero con el efecto colateral  de ser un potente gas de efecto invenadero, entre unas 12 a 14000 veces más que el CO₂. Precisamente la última modificación del Protocolo de Montreal es la Enmienda de Kigali (2016), en la que se acordó reducir gradualmente los HFCs.

Los resultados de las medidas adoptadas con el Protocolo de Montreal y posteriores modificaciones en la cantidad de ODS se muestran en la figura 3 (panel inferior), con una importante reducción desde su pico en 1987 hasta finales de 2022. De ahí la afirmación de que el Protocolo de Montreal ha funcionado con éxito.

Relación de la evolución del “agujero de ozono” con el cambio climático

Las observaciones muestran que el Protocolo de Montreal ha reducido la presencia de sustancias destructoras de ozono  (ODS, ozone-depleting substances), y con ello la tendencia de los niveles de ozono total ha pasado a ser creciente, a nivel global y particularmente en la Antártida (figura 4). Sin embargo, según nos indica Alberto Redondas, debido en parte a la larga vida de los CFCs, las concentraciones de ODS siguen siendo muy altas, habiendo disminuido globalmente un 20% de su valor máximo y un 15% en los polos. No obstante, las proyecciones de ozono total obtenidas con modelos climáticos muestran que a lo largo del siglo XXI podría haber una recuperación progresiva del “agujero de ozono” en la Antártida, tal que a mediados de siglo se proyecta superar los niveles de ozono total observados en 1980, independientemente del escenario climático futuro (figura 4). No obstante, debe tenerse en cuenta que un exceso de ozono estratosférico también sería perjudicial para la salud humana, ya que a partir de la radiación ultravioleta de la luz solar se produce en la piel la necesaria vitamina D.

Dado que los CFCs y los HCFCs son gases de efecto invernadero, la disminución de éstos en la atmósfera reduce su contribución al calentamiento global. No obstante debe tenerse en cuenta que los HCFs tienen un mayor efecto invernadero que aquellos, por lo que el aumento de los niveles de los HCFs (en sustitución de los CFCs y HCFCs) podrían provocar una importante contribución en el calentamiento global. Por consiguiente, según los actuales parámetros del Protocolo de Montreal, la evolución de la capa de ozono está ligada a sustancias, algunas de las cuales son también potentes gases de efecto invernadero, que por ende contribuyen al calentamiento global.

Por otra parte, a consecuencia del calentamiento global se está incrementando la emisión de ODS de origen natural. Asimismo, el óxido nitroso (N₂O), el metano (CH₄) y el dióxido de carbono (CO₂), importantes gases de efecto invernadero (GEIs) cuyos niveles han aumentado en el planeta asociados a actividades humanas no sólo contribuyen al calentamiento global, sino también juegan un papel relevante en la presencia del ozono en la estratosfera por su influencia en las reacciones químicas que lo destruyen o producen.

En la figura 5 se muestra la contribución de tres relevantes GEIs (CO₂, CH₄, N₂O) y del conjunto de ODSs en la evolución presente y futura del ozono total (con un escenario de forzamiento climático moderado).  Independientemente de la región geográfica, el tipo de contribución (positiva o negativa) en la cantidad de ozono es el mismo. En particular:

• El CH₄ y CO₂ favorecen las reacciones químicas que producen ozono.
• El N₂O favorece la destrucción de ozono, junto con (obviamente) las ODSs. Obsérvese en la figura 5 que con la reducción progresiva de las ODSs, el aumento proyectado de N₂O conduciría a reducir ozono progresivamente con una contribución relativa creciente, tal que a finales de siglo, por ejemplo, en promedio global el N₂O podría causar una mayor destrucción de ozono que las ODSs.

Diferencias relevantes entre regiones son las siguientes:

• La Antártida es la región donde los cambios en el ozono total son mayores. A pesar de que la destrucción de ozono por las ODSs disminuye de manera notable a lo largo del siglo XXI, no se proyecta (con un escenario cambio climático moderado) que se alcance los niveles de ozono de 1960 debido a la contribución creciente del N₂O en reducir ozono.
• En latitudes medias del hemisferio sur sí se podría alcanzar los valores de ozono total observados en 1960. Esto podría ocurrir en torno a 2080 y se mantendría hasta finales de siglo como resultado del balance entre las contribuciones positivas y negativas.
• En el Ártico y latitudes medias del hemisferio norte también se podría recuperar los niveles de ozono de 1960, pero con una tendencia ligeramente creciente. En latitudes medias se proyecta alcanzar, en torno a 2040, la cantidad de ozono de referencia con un lento aumento progresivo hasta aproximadamente un 2,5% a finales de siglo.
• Los trópicos es la región donde los cambios de ozono total son menores, con valores próximos a 1960 a mediados de siglo y que se mantendrían hasta finales.
• En promedio global (60ºN-60ºS), actualmente el efecto dominante es el debido a las ODS, aunque mitigado en parte por las concentraciones actuales de CO₂ y CH₄ y N₂O. Sin embargo, se proyecta que desde aproximadamente 2060 hasta finales de siglo, habría un equilibrio entre las cuatro contribuciones que determinan los cambios en el ozono total, tal que se alcanzarían niveles observados en 1960.

Teniendo en cuenta lo expuesto, existe una estrecha relación entre la evolución de la recuperación del ozono estratosférico y el cambio climático. Por ello, tal que como señala Alberto Redondas es necesario vigilar los efectos de la reducción de las ODS y de los niveles de GEIs en la cantidad de ozono total para encontrar un equilibrio en éste último. Tanto un déficit como un exceso de ozono estratosférico es perjudicial para el ser humano.

Gran parte de los contenidos expuestos en la charla proceden del documento “Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2022 Update”, disponible en https://csl.noaa.gov/assessments/ozone/2022/twentyquestions/

Actividades de AEMET sobre el ozono estratosférico

Como parte final de la charla, Aberto Redondas expuso brevemente las distintas actividades que realiza AEMET, a través del Centro de Investigación Atmosférica de Izaña (Tenerife, Canarias), relacionadas con la vigilancia y medidas de ozono estratosférico. Básicamente, estas actividades son las siguientes:

• Medidas de ozono en Izaña, así como en la Antártida en colaboración con Argentina, Uruguay y Chile.
• Participación en el proyecto europeo EUBREWNET, cuyo objetivo es el establecimiento de una red homogénea de espectrofotómetros Brewer para Europa. Esta red está considerada como red de referencia para la validación de satélites (ESA), la calidad del aire (Copernicus – CAMS) y los estudios climáticos (Copernicus – Climate Services).
• Realización de actividades como Centro de Calibración Regional Brewer para Europa (RBCC-E, por sus siglas en inglés).

Para más información y detalles de los contenidos de la charla es aconsejable acceder a su grabación en YouTube, pinchando aquí.