Laboratorio Virtual Multiplataforma de Ozono
Tutorial sobre Ozono
1. EL OZONO Y SU IMPORTANCIA
1.1. ¿Qué es el Ozono?
La molécula de Ozono (O3) está formada por 3 átomos de oxígeno. Su nombre científico es trioxígeno. Es una sustancia gaseosa en su estado natural, descubierta por el científico Christian Schönbein en 1939. De color azul y olor metálico, el Ozono es dañino para la salud humana al respirarlo, pero de gran importancia para la protección de la vida en el planeta.
Figura 1: Molécula de Ozono
La unidad Dobson (en inglés, DU) es una medida del espesor de la capa de Ozono en la atmósfera terrestre, específicamente en la estratosfera. Una unidad Dobson (DU) equivale a 0,01 mm de espesor de capa en condiciones normales de presión y de temperatura (1 atm y 0 °C respectivamente).
Es considerado como una pantalla natural que absorbe el 99% de radiaciones dañinas de rayos uva que proceden del Sol.
La distribución del Ozono en la atmósfera es irregular, alcanzando la máxima concentración en la estratosfera, donde se encuentra alrededor del 90% del Ozono atmosférico. Aunque en las demás capas también existe, el Ozono que se encuentra en la estratosfera y troposfera es el que ejerce un mayor impacto sobre la vida en la Tierra.
1.2. Importancia del Ozono
El Ozono es un gas atmosférico de gran influencia para la vida terrestre ya que, dependiendo de la capa de la atmósfera en que se encuentre, se comporta como un contaminante o como un escudo que absorbe la radiación solar nociva.
La importancia del Ozono troposférico viene dada por su capacidad protectora de la vida en el planeta, pues impide que los rayos ultravioletas del Sol puedan hacer contacto directamente con el globo terráqueo.
El Ozono se encuentra en la atmosfera en pequeñas concentraciones. Sin embargo, estas pocas cantidades del gas son las responsables del aumento de la temperatura debido a la absorción de las radiaciones ultravioletas por parte del Ozono. De ahí su gran importancia en la preservación de la vida en el planeta Tierra, pues sin su existencia esta energía procedente del Sol llegaría directamente a las plantas y animales terrestres.
Conocer los niveles de Ozono es de vital importancia ya que el estado de nuestro planeta depende de estos niveles.
Así, por ejemplo, el Ozono troposférico ha sido incluido por la CEE como uno de los compuestos indicadores de contaminación atmosférica y es, por tanto, obligatorio el control diario de sus niveles en las capas bajas de la atmósfera.
Asimismo, la cooperación internacional ha sido clave en la protección de la capa de Ozono de la estratosfera, destacando la firma del Protocolo de Montreal y del Convenio de Viena, en los que se impulsa la investigación científica, la observación sistemática de la capa de Ozono, la vigilancia de la producción de sustancias que dañan la misma, y el intercambio de información.
Fruto de este interés internacional, durante el Año Geofísico Internacional (AGI o IGY en inglés), en 1957, se creó una red mundial de medida del Ozono total en columna, coordinada por la Organización Meteorológica Mundial (OMM o WMO en inglés), y que cuenta con más de 400 estaciones de medida cuyas observaciones se depositan en la base mundial de datos de Ozono en Toronto (Canadá), si bien para una cobertura global, han de recurrir como técnica alternativa a las medidas registradas por satélites.
Figura 2: Mapa de la Red Radiométrica Nacional
El Ozono troposférico, y en concreto el Ozono que se encuentra mas próximo a la superficie, es un gas tóxico con repercusiones importantes en la salud humana cuando los valores de su concentración son elevados.
El conocimiento de estas cantidades es complicado de obtener debido al coste de los aparatos de medición que actualmente existen.
2. LA ATMÓSFERA Y SUS CAPAS
2.1. La atmósfera
La capa exterior de la Tierra es gaseosa, de composición y densidad muy distintas de las capas sólidas y líquidas que tiene debajo. Pero es la zona en la que se desarrolla la vida.
2.2. Capas de la atmósfera
La atmósfera se divide en diversas capas:
Figura 3: Capas de la atmósfera
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Troposfera: llega hasta un límite superior (tropopausa) situado a 9 Km de altura en los polos y los 18 Km en el ecuador. En ella se producen importantes movimientos verticales y horizontales de las masas de aire (vientos), y hay relativa abundancia de agua. Es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos: lluvias, vientos, cambios de temperatura, etc., siendo la capa de más interés para la ecología. La temperatura va disminuyendo conforme se va subiendo, hasta llegar a -70°C en su límite superior.
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Estratosfera: comienza a partir de la tropopausa y llega hasta un límite superior (estratopausa), a 50 Km de altitud. La temperatura cambia su tendencia y va aumentando hasta llegar a ser de alrededor de 0°C en la estratopausa. Casi no hay movimiento en dirección vertical del aire, pero los vientos horizontales llegan a alcanzar frecuentemente los 200 Km/h, lo que facilita el que cualquier sustancia que llega a la estratosfera se difunda por todo el globo con rapidez. Por ejemplo, esto es lo que ocurre con los CFC (clorofluorocarburos) que destruyen el Ozono. En esta parte de la atmósfera, entre los 30 y los 50 Km, se encuentra el Ozono, siendo importante porque absorbe las dañinas radiaciones de onda corta.
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Mesosfera: que se extiende entre los 50 y 80 Km de altura, contiene sólo cerca del 0,1% de la masa total del aire. Es importante por la ionización y las reacciones químicas que ocurren en ella. La disminución de la temperatura combinada con la baja densidad del aire en la mesosfera determina la formación de turbulencias y ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y temporales muy grandes. La mesosfera es la región donde las naves espaciales que vuelven a la Tierra empiezan a notar la estructura de los vientos de fondo, y no sólo el freno aerodinámico.
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Ionosfera: recibe también el nombre de termosfera. Se extiende desde una altura de casi 80 Km sobre la superficie terrestre hasta 640 Km o más. A estas distancias el aire está enrarecido en extremo. Cuando las partículas de la atmósfera experimentan una ionización por radiación ultravioleta, tienden a permanecer ionizadas debido a las mínimas colisiones que se producen entre los iones. La ionosfera tiene una gran influencia sobre la propagación de las señales de radio. Una parte de la energía radiada por un transmisor hacia la ionosfera es absorbida por el aire ionizado y otra es refractada, o desviada, de nuevo hacia la superficie de la Tierra. Este último efecto permite la recepción de señales de radio a distancias mucho mayores de lo que sería posible con ondas que viajan por la superficie terrestre.
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Exosfera: es la región que hay más allá de la ionosfera y se extiende hasta los 9.600 Km, lo que constituye el límite exterior de la atmósfera.
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Magnetosfera: se extiende más allá de la exosfera, siendo el espacio situado alrededor de la Tierra en el cual, el campo magnético del planeta domina sobre el campo magnético del medio interplanetario.
2.3. Composición de la atmósfera
La atmósfera está compuesta por un grupo de gases cuya concentración es variable y, por otro, de concentración casi constante. Además, la atmósfera contiene también partículas sólidas y líquidas como aerosoles, gotas de agua y cristales de hielo, cuya concentración varía enormemente tanto en el espacio como en el tiempo. La composición de la atmósfera terrestre ha sido descrita desde comienzos de este siglo a través del concepto de atmósfera estándar, si bien, en realidad, esta composición normal varía de forma importante tanto en tiempo como en espacio en lo que respecta a algunos de sus componentes (vapor de agua, dióxido de carbono, ozono, monóxido de carbono y metano).
En la siguiente tabla se muestran sus principales constituyentes:
| Componente | Cantidad (%) |
| Nitrógeno | 78,1 |
| Oxígeno | 20,94 |
| Argón | 0,93 |
| Dióxido de carbono | 0,035 |
| Neón | 0,00182 |
| Helio | 0,00052 |
| Hidrógeno | 0,00005 |
| Criptón | 0,000114 |
| Ozono | 0,00116 |
3. OZONO TROPOSFÉRICO Y ESTRATOSFÉRICO
3.1. Ozono troposférico
El Ozono es un gas incoloro e irritante más denso que el aire, siendo un oxidante fuerte y atacando por tanto la materia orgánica, muy poco soluble en agua (0,1 g / 100 ml).
Este Ozono, a causa de la acción del hombre, puede encontrarse en concentraciones superiores a las naturales, actuando entonces como un contaminante atmosférico por sus efectos nocivos sobre el medio.
Por ello, en la troposfera, cerca de la superficie terrestre, el Ozono se comporta como un contaminante más, ya que su gran reactividad hace que intervenga en multitud de reacciones químicas conducentes a la formación de otros contaminantes de gran importancia en los episodios agudos y crónicos de contaminación atmosférica.
De ahí que el aumento de Ozono troposférico despierte, en la actualidad, una gran alarma social basada en el hecho de que la concentración de esta molécula en la troposfera, desde principios del siglo XX, se ha duplicado.
3.2. Ozono estratosférico
En la estratosfera, a unos 20 Km de altura sobre la superficie terrestre, se encuentra la llamada capa de Ozono u Ozono estratosférico, es decir, en la estratosfera media y superior.
Esta capa de Ozono actúa de forma beneficiosa absorbiendo radiación UV proveniente del Sol y evitando así que llegue a la superficie de la Tierra.
El Ozono que se encuentra en esta capa de la atmósfera es de gran importancia, ya que allí actúa como filtro de las radiaciones ultravioleta de onda más corta, absorbiendo el 90% de la radiación UV-B procedente del Sol que puede resultar muy dañina para seres humanos, animales, y plantas.
Por ello, a pesar de ser el Ozono un componente minoritario de la atmósfera terrestre (de cada diez millones de moléculas de la alta atmósfera, unos dos millones son de oxígeno pero sólo tres moléculas son de ozono), el presente en esta región desarrolla un papel muy importante en la Tierra.
3.3. El Ozono y los seres vivos
Al romperse la capa de Ozono, la reacción reversible oxígeno/ozono se convierte en irreversible y los rayos ultravioleta pasan directamente hasta la Tierra.
Esta radiación de gran energía puede acabar con la vida.
El primer efecto nocivo es el cáncer de la piel y el glaucoma. Además, indirectamente, abaten el sistema inmunológico del ser humano, causa la muerte del plancton y el envejecimiento prematuro de los árboles. No afecta sólo a los seres vivos, también a materiales como las tuberías de PVC, que se quiebran prematuramente ocasionando daños económicos.
El Ozono en nuestro nivel (troposfera) es una sustancia hiperoxidante que sobrecalienta las células, en especial las del sistema respiratorio, reduce su tiempo de vida y puede ser causante de reacciones mutagénicas, además de la irritación de ojos, nariz y garganta.
4. RADIACIÓN ULTRAVIOLETA
4.1. Radiación ultravioleta
Figura 4: Radiación ultravioleta
La radiación ultravioleta (UV) es una componente de la radiación solar, siendo el conjunto de radiaciones del espectro electromagnético con longitudes de onda menores que la radiación visible (luz), desde los 400 hasta los 150 nm, y de gran importancia para la vida terrestre.
Si bien, antes de ser atenuada por la atmósfera representa el 8,3% de la radiación solar extraterrestre (Stammes, 1993), una vez atraviesa la atmósfera, en la superficie terrestre, la radiación ultravioleta representa alrededor de un 5% de la radiación total.
Sin embargo, aunque la cantidad de energía aportada por la radiación UV resulte escasa en comparación con la contribución del espectro solar total, de acuerdo a la Ley de Planck, los fotones asociados a la radiación ultravioleta resultan ser los más energéticos que alcanzan la superficie terrestre, lo cual determina que sus efectos sean más intensos y específicos.
Figura 5: Bandas de radiación UV
Se suelen diferenciar tres bandas de radiación UV:
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UV-A: banda de los 320 a los 400 nm. Es la más cercana al espectro visible y no es absorbida por el Ozono.
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UV-B: banda de los 280 a los 320 nm. Es absorbida casi totalmente por el Ozono, aunque algunos rayos de este tipo llegan a la superficie de la Tierra. Es un tipo de radiación dañina, especialmente para el ADN. Provoca melanoma y otros tipos de cáncer de piel. También puede estar relacionada, aunque esto no es tan seguro, con daños en algunos materiales, cosechas y formas de vida marina.
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UV-C: banda de las radiaciones UV menores de 280 nm. Este tipo de radiación es extremadamente peligroso, pero es absorbido completamente por el Ozono y el oxígeno.
Actualmente, debido a la importancia del estudio de los efectos biológicos de la radiación ultravioleta, se considera una nueva región, que equivale a la banda de la radiación UV-B, incluyendo también una parte de la banda UV-A y que representaría la respuesta relativa de la piel humana a la radiación ultravioleta. Recibe el nombre de banda eritemática, ya que una reacción eritemática es un enrojecimiento o quemadura solar.
El oxígeno y el Ozono estratosféricos absorben entre el 97 y el 99% de las radiaciones UV de entre 150 y 300 nm, procedentes del Sol.
4.2. La radiación ultravioleta y la salud
El efecto de la disminución del Ozono sobre la superficie terrestre es el aumento de los niveles de radiación ultravioleta B.
En las últimas décadas, el interés por la Radiación Ultravioleta se ha acrecentado debido a que es biológicamente muy activa por lo que ejerce una notable influencia sobre animales, plantas y seres humanos, siendo especialmente preocupantes los efectos perjudiciales que de ella se derivan.
Más concretamente:
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Daños genéticos: la radiación UV-B interfiere con los enlaces del ADN dañando la molécula. Muchos de estos errores son reparados por los sistemas enzimáticos de la célula, pero algunas mutaciones perviven y pueden producir cánceres, especialmente de piel. El 90% de los cánceres de piel se atribuyen a los rayos UV-B y se supone que una disminución en la capa de Ozono de un 1% podría incidir en aumentos de un 4 a un 6% de distintos tipos de cáncer de piel, aunque esto no está tan claro en el más maligno de todos: el melanoma, cuya relación con exposiciones cortas pero intensas a los rayos UV parece notoria, aunque poco comprendida y puede llegar a manifestarse hasta 20 años después de la sobreexposición al Sol.
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Daños en los ojos: la exposición a dosis altas de rayos UV puede dañar los ojos, especialmente la córnea que absorbe muy fácil estas radiaciones. A veces se producen cegueras temporales y la exposición crónica se asocia con mayor facilidad de desarrollar cataratas.
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Daños a la vida marina: una de las mayores preocupaciones derivadas de la formación del agujero de Ozono de la Antártida ha sido ver la influencia en el plancton marino del incremento de rayos UV en los mares de la zona. Los organismos del plancton se concentran en la capa de unos 2 metros próxima a la superficie oceánica y son fundamentales en la cadena trófica. Algunos estudios han encontrado descensos en su productividad de entre el 6 y el 12% en las 10 a 12 semanas que coinciden con el agujero de Ozono, lo que supone un descenso medio del 2 ó 4%, cantidad detectable, aunque no catastrófica todavía.
5. MODELO MATEMÁTICO
5.1. Latitud, longitud y longitud de referencia
Son las coordenadas geográficas que permiten ubicar con precisión la ubicación de un punto cualquiera de la superficie terrestre.
Estas coordenadas se expresan en grados sexagesimales.
Estas dos coordenadas se miden como la distancia desde el punto en cuestión hasta las líneas de base del sistema y reciben el nombre de:
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Latitud
La latitud es la distancia que existe entre un punto cualquiera y el Ecuador, medida sobre el meridiano que pasa por dicho punto.
Su línea de base es el Ecuador.
Se expresa en grados sexagesimales.
Todos los puntos ubicados sobre el mismo paralelo tienen la misma latitud.
Aquéllos que se encuentran al norte del Ecuador reciben la denominación Norte (N).
Aquéllos que se encuentran al sur del Ecuador reciben la denominación Sur (S), y se pueden representar como valores negativos.
Se mide de 0° a 90°.
Al Ecuador le corresponde la latitud de 0°.
Los polos Norte y Sur tienen latitud 90° y -90°, respectivamente.
Para Hobart, Tasmania (Australia): -42,89°.
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Longitud
La longitud es la distancia que existe entre un punto cualquiera y el meridiano de Greenwich, medida sobre el paralelo que pasa por dicho punto.
Su línea de base es el meridiano de Greenwich.
Se expresa en grados sexagesimales.
Todos los puntos ubicados sobre el mismo meridiano tienen la misma longitud.
Aquéllos que se encuentran al oriente del meridiano de Greenwich reciben la denominación Este (E).
Aquéllos que se encuentran al occidente del meridiano de Greenwich reciben la denominación Oeste (O), y se pueden representar como valores negativos.
Se mide de 0° a 180°.
Al meridiano de Greenwich le corresponde la longitud de 0°.
El antimeridiano correspondiente está ubicado a 180°.
Los polos Norte y Sur no tienen longitud.
Para Hobart, Tasmania (Australia): 147,65°.
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Longitud de referencia
Es la longitud del meridiano de referencia de cada país, este meridiano establece el huso horario para cada lugar, la elección de un huso horario a otro depende de la elección de cada país.
Para Hobart, Tasmania (Australia): 150°.
Para España es el meridiano 0° ó de Greenwich.
Figura 6: Mapa de Longitudes de referencia
5.2. Ángulo cenital
El Ángulo Cenital (sza) es el ángulo formado entre la línea que une el cenit (o línea vertical) con el observador y la que une al observador con el Sol (varía entre 0 y 90°).
Figura 7: Ángulo Cenital
El cálculo de este ángulo viene determinado por la siguiente fórmula:
siendo:
sza: el ángulo cenital
δ: el ángulo de declinación, que es el formado por el plano del Ecuador y el plano de la órbita terrestre debido a la inclinación del eje de la Tierra. La declinación depende de la fecha, siendo máxima en el solsticio de verano (d = +23.45° el 22 de junio), nula en los equinoccios (d = 0° el 22 de marzo y el 22 de septiembre), y mínima en el solsticio de invierno (d = -23.45° el 22 de diciembre).
φ: la latitud del lugar donde queremos conocer su ángulo cenital.
ω: el ángulo horario, que es el formado entre la posición del Sol a la hora considerada y su posición al mediodía (meridiano del lugar), medido sobre el círculo de su órbita. El Sol recorre 15° cada hora (360° en 24 horas), y se mide a partir del mediodía (12:00 hora Solar local) con ángulos negativos antes del mediodía y positivos después del mediodía. Se mide en el plano del Ecuador celeste. Es el ángulo que se forma entre la línea Norte-Sur (meridiano del lugar) y el punto del círculo o camino que recorre el Sol (trazado sobre ese plano) donde se encuentra en ese momento. Si ya pasó por el meridiano del lugar es positivo, y si aún no pasó por el meridiano del lugar es negativo
α: la altura solar es el ángulo que se forma entre la línea que une al observador con el Sol y aquélla que une al observador con el horizonte. Es el complemento del ángulo cenital. Varía entre 0 y 90°
5.3. Modelo matemático
Teniendo en cuenta que el Ozono atmosférico ejerce su mayor influencia en la radiación de longitud de onda corta que en la larga, investigadores de las Universidades de Córdoba (España) y Tasmania (Australia) han desarrollado un modelo matemático que permite calcular los niveles de la Columna Total de Ozono (TCO) a partir de medidas experimentales de los niveles de Radiación Ultravioleta eritemática (UV-B eritemática) y Radiación Solar Total, ambas comúnmente registradas en la mayoría de las estaciones radiométricas.
Este modelo se basa en que la disminución de Ozono ejerce una mayor influencia en la radiación UV-B y UV-A, mientras que para longitudes de onda menores de 290 nm es prácticamente nula, ya que esta radiación ni siquiera llega a la Tierra.
Teniendo en cuenta esto, se establece un modelo que, a partir de la relación entre Radiación Total y su componente UV-B, nos permite determinar los niveles de Ozono.
Los principales aspectos a destacar del citado modelo, desarrollado en la Universidad de Tasmania (Australia), son:
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Se basa en medidas de radiación solar total y UV-B eritemática, comúnmente registradas en las estaciones radiométricas, sin necesidad de instrumentación específica para la medición de Ozono, por lo general de elevado coste y de difícil mantenimiento.
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A diferencia de los datos de TCO de los satélites, que no proporcionan información de la variabilidad diurna de dicha variables, puesto que únicamente facilitan una medida por emplazamiento y día, el modelo propuesto permite determinar los niveles de Ozono atmosférico con la misma periodicidad con que la estación radiométrica haya sido programada para registrar las medidas de radiación.
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De acuerdo con los resultados obtenidos y la validación del modelo, los valores de TCO estimados por el mismo, se ajustan con gran precisión a las medidas experimentales registradas en el campus de la citada Universidad, en Hobart (Tasmania, Australia) e, incluso, mejoran los resultados proporcionados por la base de datos del satélite TOMS.
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De esta forma, se presenta una nueva herramienta que, a partir de medidas comúnmente registradas en las estaciones radiométricas proporciona datos de TCO y que, junto con los datos proporcionados por satélites (TOMS, GOME) y la red internacional de medidas de TCO en tierra, facilita las tareas de control de los niveles de Ozono atmosférico.
La fórmula resultante del estudio para el cálculo es:
para el parámetro de calidad o coeficiente de correlación:
5.4. Comprobación del modelo
Para la medición de la radiación UV-B se utilizó un radiómetro de banda ancha, modelo 501A UV-Biometer.
El instrumento mide radiación UV-B modulada por la respuesta eritemática (enrojecimiento) de la piel, esto es, radiación UV-B eritemática.
Las medidas de radiación total fueron registradas con un piranómetro modelo CM11.
La estación radiométrica cuenta con un espectrofotómetro Brewer MKIII que proporciona medidas de TCO cada 5° de ángulo cenital solar con un error de ±1%, situado en el campus universitario de Hobart (Australia)
Las variables radiométricas dependen fuertemente del ángulo cenital, aumentando a medida que disminuye éste último hasta alcanzar su valor máximo al mediodía.
En la figura se representa la evolución diaria de ambos valores de TCO junto con la radiación solar total y su componente ultravioleta eritemática, de forma que se pueda identificar como un día claro y despejado.
Figura 8: Radiación UV-B, Radiación UV-Total y Ozono frente a Ángulo Cenital
Tal y como queda reflejado en la gráfica, el modelo reproduce con gran precisión los valores experimentales del espectrofotómetro Brewer y, por tanto, podemos concluir que el modelo propuesto se ajusta con gran precisión a los datos experimentales registrados en Hobart (Australia).
5.5. Hobart (Tasmania, Australia)
Universidad de Tasmania (Hobart, Tasmania, Australia).
Latitud: -42,89°.
Longitud: 147,65°.
Longitud de Referencia: 150°.
Altitud: 38 m sobre el nivel del mar.
Figura 9: Hobart (Tasmania, Australia)