Por Gerardo Carbajal*
El pasado año 2015, se ha observado que el agujero de ozono sobre la Antártida es uno de los más grandes que se tiene registro. Este reporte, tiene como objetivo analizar el estado de la capa de ozono sobre la Antártica, para evaluar el estado en el que se encuentra, usando todas las herramientas y datos disponibles por la Organización Meteorológica Mundial (OMM)
Desde el 2009 hasta el 2014, el agujero de ozono tenía una tendencia a recuperarse, es decir, en extensión más pequeño y cada vez, menos persistente. Esta situación había entusiasmado a la comunidad científica, porque se notaba el éxito del Protocolo de Montreal, que se propone, una disminución de la emisión de sustancias que agotan la capa de ozono. Sin embargo, durante el primer semestre del 2015, las condiciones dinámicas de la estratosfera y troposfera, preparan las condiciones ideales para un agujero de ozono de dimensiones históricas.
Iniciemos por definir el concepto de agujero de ozono: la comunidad científica considera que el 90% del ozono en la Atmósfera se encuentra en la estratosfera, mientras que el 10% restante está en la troposfera. Al medir la Columna Total de Ozono (CTO) podemos estimar o cuantificar el contenido de ozono estratosférico. La unidad de medición que se usa es la Unidad Dobson (UD). Mil UD equivalen a una columna de ozono de un centímetro de espesor en condiciones normales de presión (1atm) y temperatura (273 K). Dentro de dicho acuerdo, se considera agujero de ozono cuando la medición satelital o superficial, es menor o igual a 220 UD.
El agujero de ozono se presenta año con año en la Antártida, mientras que en el Ártico no siempre se presenta. Esta situación se explica porque Hemisferio Norte, al tener más continente, generan más ondas atmosféricas que son las encargadas de transportar más flujo de calor, que a su vez calientan la estratosfera, que es una condición no propicia para la formación de Nubes Estratosféricas Polares (NEPs) que son las que contienen las sustancias destructoras de la capa de ozono (HNO3, HBr y HCl). Esta situación es contraria al Hemisferio sur, debido a que hay menos ondas atmosféricas, menor transporte de flujo de calor y por lo tanto, mayor enfriamiento estratosférico, ideal para la formación de las NEPs. Las condiciones de la troposfera y estratosfera durante el invierno austral (junio a agosto) sientan el escenario y las condiciones para la formación de las NEPs
La cantidad de vapor de agua en la estratosfera es muy baja, solamente 5 de entre un millón de moléculas de aire, son moléculas de agua, lo cual significa que bajo condiciones normales no existen nubes en la estratosfera. Sin embargo, cuando la temperatura cae abruptamente por debajo de los -78°C, empiezan a formarse nubes que consisten en una mezcla de agua y ácido nítrico. Estas últimas son llamadas NEPs del tipo I. En la superficie de partículas en la nube tienen lugar reacciones químicas que transforman compuestos halógenos pasivos e inocuos (por ej. HCl y HBr) en las denominadas especies activas de cloro y bromo (por ej. ClO y BrO). Estas formas activas de cloro y bromo provocan una rápida pérdida de ozono en condiciones de radiación solar a través de ciclos catalíticos en los que una molécula de ClO puede destruir miles de moléculas de ozono antes de ser finalizadas, a través de la reacción con dióxido de nitrógeno. (NO2).
Cuando las temperaturas disminuyen abruptamente por debajo de los -85°C, se formarán nubes que consisten de puro hielo de agua. Estas últimas son denominadas NEPs del tipo II. Las partículas en ambos tipos de nubes pueden crecer tanto que ya no flotan en el aire y precipitan fuera de la estratosfera. En este proceso traen consigo ácido nítrico. El ácido nítrico es un depósito que libera NO2 bajo condiciones de radiación. Si el NO2 es removido físicamente de la estratósfera (proceso denominado desnitrificación), el cloro y bromo activos pueden destruir muchas más moléculas de ozono antes de ser estabilizadas. La formación de nubes de hielo llevará a una pérdida más severa de ozono que la que causa el NEP de tipo I por sí mismo, puesto que las especies halógenas son más efectivamente activadas cuando se encuentran en las superficies de partículas de hielo de mayor tamaño.
El vórtice polar antártico es un gran sistema de baja presión en el que vientos de gran velocidad (el jet polar) en la estratósfera, rodean el continente antártico. La región del jet polar en dirección del polo, incluye las temperaturas más bajas y las pérdidas de ozono más grandes que tengan lugar en el mundo. Durante el inicio de agosto, la información de parámetros meteorológicos y las medidas de estaciones de superficie, globos sondas y satélites relativas al ozono y otros componentes pueden brindar algún discernimiento en el desarrollo del vórtice polar y por ende del agujero de ozono que tendrá lugar más adelante en la estación del año.
CONDICIONES METEOROLOGICAS.
Temperatura.
Los datos MERRA provenientes de la NASA, muestran que las temperaturas estratosféricas sobre la Antártida, han estado por debajo del umbral del PSC tipo I de 194.6 K desde el 11 de mayo y por debajo del umbral del PSC tipo II de 187.8 K desde el 3 de junio, tal como se muestra en la Figura 1. Dicha figura también muestra que las temperaturas diarias mínimas en el nivel de 50hPa han estado por debajo del promedio entre 1979 y 2014 desde mediados de abril. Duran-te varios días en abril, mayo, julio y agosto la temperatura mínima en los 50hPa estuvo por debajo de la mínima entre 1979 y 2014. A fines de septiembre y principios de octubre, es decir una época del año en la cual las temperaturas normalmente aumentan después de la noche polar, la temperatura máxima disminuyó abruptamente y el 3 de octubre alcanzó los 181.9K, lo cual es alrededor de los 8K por debajo del promedio entre 1979 y 2014. Después de ello, la temperatura mínima ha aumentado pero se encuentra todavía cercana al valor mínimo de largo plazo.
Figura 1. Series de tiempo para el año 2015 de temperaturas mínimas en los niveles isobáricos de 10hPa (izquiera), 50hPa (medio) y 100hPa (derecha)
Area y volumen del NEPs.
Desde el 29 de junio, las temperaturas lo suficientemente bajas para la formación de ácido nítrico trihidratado (NAT o NEP del tipo I) han cubierto un área de más de 20 millones de kilómetros cuadrados en el nivel isentrópico de 460 K (Figura 2, panel izquierdo). Desde el comienzo de las temperaturas NAT a principios de mayo el área NAT estuvo oscilando alrededor el valor medio de largo plazo en mayo y junio y permaneció cercano al promedio de julio. En agosto el área NAT ha estado por encima del valor medio, con respecto a la mayoría de los días. Desde el 5 de agosto el área NAT alcanzó un máximo para la estación del año con 28.2 millones de kilómetros cuadrados, lo cual es superior al máximo alcanzado en años recientes. Es necesario volver al 2009 para encontrar un área NEP máxima (28.4 millones de kilómetros cuadrados). También en septiembre hasta el presente, el área NAT ha estado por encima del valor medio.
Antes que observar el área NAT en un nivel discreto de la atmósfera, tiene más sentido observar el volumen de aire con temperaturas lo suficientemente bajas como para formar el NAT. El denominado volumen NAT se deriva integrando las áreas NAT sobre un rango de niveles de entrada. La progresión diaria del volumen NAT en el 2012 se muestra en la Figura 2 (panel derecho) en comparación con inviernos recientes. El volumen NAT estuvo relativamente bajo entre mayo y principios de agosto. Durante agosto el área NAT fue similar al de años recientes (2011, 2013 y 2014) y superior al de 2012. En octubre el volumen NAT ha descendido más lentamente con respecto al promedio para la estación y en el presente se encuentra cercano o aún por encima del valor máximo, correspondiente a octubre.
El área o volumen con temperaturas lo suficientemente bajas para la existencia de NEPs se encuentra directamente relacionado con la cantidad de la pérdida de ozono que tendrá lugar más tarde en la estación del año, pero el grado de la pérdida de ozono depende también de otros factores, como la cantidad de vapor de agua y HNO3. Después de un comienzo tardío el debilitamiento del ozono ha progresado rápidamente en septiembre y principios de octubre y el 2015 el agujero de ozono es el más extenso por área de superficie desde el 2006.
Figura 2. Serie de tiempo del área (izquierdo) de la región donde las temperaturas son suficientemente bajas para formar ácido nítrico trihídratado (NEP I) en el nivel isentrópico de 460K. Serie de tiempo del área (derecho) de la región donde las temperaturas son suficientemente bajas para formar ácido nítrico trihídratado (NEP II)
Estabilidad del vórtice.
El flujo de calor promediado longitudinalmente entre los 45°S y los 75°S es una indicación hasta qué grado está perturbada la estratosfera. En la Figura 3 se muestra el desarrollo del flujo de calor. Lea el subtítulo para mayores detalles de cómo interpretar el gráfico.
Durante mayo y junio el valor medio de 45 días del flujo de calor estuvo más bajo que el promedio de 1979 a 2014 o por debajo del mismo. En junio fue algo más grande que el promedio de todos los años. En julio y agosto el flujo de calor fue notablemente más pequeño que el valor medio de todos los años, lo cual es una indicación de un vórtice estable. A principios de septiembre el flujo de calor permaneció bajo y en algunos días a principios de dicho mes, el flujo de calor fue más pequeño que el mínimo histórico de todos los años. Durante el mes de septiembre el flujo de calor ha aumentado algo pero permaneció comparativamente bajo. En octubre el flujo de calor ha estado cercano o por encima del percentil 90 con respecto a meses precedentes a octubre retrocediendo hasta 1979. El flujo de calor diario, muestran que ocurre un evento de onda a principio de noviembre, lo cual calienta y debilita el vórtice.
Figura 3. Serie de tiempo del flujo de calor meridional en la región de 45-75°C
La Figura 4 muestra los mapas de vorticidad potencial (PV) en el nivel isentrópico de 475K para la fecha del 27 de octubre para los años del 2006 al 2015. Este nivel corresponde a aproximadamente 19-20 km de altura. Se puede ver que el vórtice polar en el 2015, cubre un área más extensa que en la mayoría de los otros años. Es también concéntrico alrededor del Polo Sur. Los valores PV absolutos son también más extensos que en muchos de los años recientes.
Figura 4. Mapas de Vorticidad Potencial (PV) en el nivel isentrópico de 475K para el día 27 de octubre de los años 2006 al 2015. Los mapas muestran que el vórtice del año 2015 (abajo a la derecha) es el más grande de los últimos años.
Las temperaturas en vórtice del Polo Sur, son en el mes de octubre más frías que lo usual y el 24 de octubre por encima del Polo Sur un ozonosonda observó -83.9°C en los 17.3 km de altura (62.2hPa). La Figura 5 muestra mapas de temperatura en 63.4hPa para el 24 de octubre de 2013, 2014 y 2015, mostrando que las temperaturas son considerablemente más bajas en el 2015 que en los dos años anteriores. Esta es la situación tanto dentro como fuera del vórtice polar.
Figura 5. Mapas de temperatura para el Hemisferio Sur del 24 de octubre de los años 2013 (arriba), 2014 (centro) y 2015 (abajo). A nivel de 63.4hPa de acuerdo a los radiosondeos efectuados para esa fecha, y muestra que las temperaturas más bajas en el Hemisferio Sur son para el año 2015.
OBSERVACIONES DE OZONO
Observaciones satelitales.
El sol ha regresado en la mayor parte de la Antártida y el debilitamiento del ozono se encuentra en camino. Los datos satelitales muestran las columnas mínimas de ozono por debajo de las 110 UD. La Figura 6 muestra las columnas de ozono mínimas tal como han sido medidas por el instrumento GOME-2 a bordo del satélite MetOp en comparación de datos para años recientes retrocediendo hasta el 2007 (SCIAMACHY y GOME-2). Durante la mayor parte de agosto las columnas mínimas han estado por encima del promedio para la época del año en comparación con los siete años más recientes. En septiembre y principios de octubre el ozono total ha disminuido rápidamente y alrededor de principios de octubre el valor mínimo de ozono se encuentra entre los más bajos observados en años reciente, es decir del 2008 hasta el presente.
Figura 6. Columna Total de Ozono diarias en el Hemisferio Sur.
La Figura 7 muestra los mapas satelitales del OMI para el 7 de octubre para los años del 2006 al 2015. A pesar de la aparición tardía del debilitamiento del ozono en el 2015, el tamaño del agujero de ozono es comparable en el presente al observado en el 2011 y el 2006. El vórtice ha estado y continúa siendo muy estable y concéntrico alrededor del Polo Sur. Esto junto con las temperaturas relativamente bajas contribuyen a un debilitamiento prolongado del ozono.
Figura 7. Mapas de Ozono Total para el 25 de octubre para los años 2006 al 2015.
Estadísticas a largo plazo.
Con el objeto de evaluar la severidad del agujero de ozono, se puede promediar el área del agujero de ozono, durante varios períodos de tiempo y que además, sean representativos. Se han usado varios períodos de tiempo por parte de diferentes investigadores y cuatro de dichos períodos, se usan comúnmente para esta finalidad. El promedio es para los años comprendidos entre 1979 y el presente. Los cálculos son realizados en KNMI (Instituto Holandés de Meteorología, basados en datos Multi-Sensor (Re análisis, SCIAMACHY, GOME-2) y por los satélites de la NASA (TOMS y OMI).
Hasta ahora, se calcularon los promedios de los tres períodos de tiempo:
a) Los últimos diez días de septiembre.
b) Del 7 de septiembre al 13 de octubre.
c) Los treinta días consecutivos, que se consideran los peores.
d) Del 19 de Julio al 30 de noviembre.
Estos resultados se muestran en la Figura 8.
Los datos del KNMI en la columna de la izquierda y de la NASA en la columna de la derecha.
a) Se puede apreciar que el área del agujero de ozono promediada durante los diez últimos días de septiembre, el agujero de ozono era más extenso en el año 2003, seguido del año 2006 y 1998, siendo el cuarto promedio más grande, el del año 2015.
b) Observando el período del 7 de septiembre al 13 de octubre (paneles medios), el área del agujero de ozono para el 2015 es el octavo más grande de la serie.
c) Para el promedio de los peores 60 días consecutivos, el KNMI muestra que el año 2015 es el segundo más grande, mientras que la NASA pone al año 2015, como el agujero de ozono más grande promediado.
d) Finalmente, el último periodo promediado, muestra que el KNMI pone como el sexto mayor agujero de ozono en el 2015, mientras que la NASA considera al 2015 como el séptimo.
Figura 8. Área del agujero de ozono para los años 1979 al 2015, promediando en cuatro períodos de tiempo.
BIBLIOGRAFÍA
- Boletín del Agujero de Ozono 2015, World Meteorologycal Organization (WMO).
- NASA Goddard Space Flight Center. http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/meteorology/flux_2015_MERRA_SH.html
* Gerardo Carbajal Benítez es Magister en Química de la Atmósfera por la Universidad Nacional Autónoma de México. Es investigador de la Universidad Católica Argentina en el Grupo de Estudios en Clima, Ambiente y Sociedad de la Facultad de Cs. Fisicomatemáticas e Ingeniería.
Equipo de Estudios en Clima, Ambiente y Sociedad 