Camada de ozônio - Ozone layer

Ciclo ozônio-oxigênio na camada de ozônio.

A camada de ozono ou ozono escudo é uma região de terra da estratosfera que absorve a maior parte do dom 's ultravioleta radiação. Contém alta concentração de ozônio (O 3 ) em relação a outras partes da atmosfera, embora ainda pequena em relação a outros gases da estratosfera. A camada de ozônio contém menos de 10 partes por milhão de ozônio, enquanto a concentração média de ozônio na atmosfera da Terra como um todo é de cerca de 0,3 partes por milhão. A camada de ozônio é encontrada principalmente na porção inferior da estratosfera, de aproximadamente 15 a 35 quilômetros (9 a 22 milhas) acima da Terra, embora sua espessura varie sazonalmente e geograficamente.

A camada de ozônio foi descoberta em 1913 pelos físicos franceses Charles Fabry e Henri Buisson . As medições do sol mostraram que a radiação enviada de sua superfície e atingindo o solo na Terra é geralmente consistente com o espectro de um corpo negro com uma temperatura na faixa de 5.500–6.000 K (5.230–5.730 ° C), exceto que não havia radiação abaixo de um comprimento de onda de cerca de 310 nm na extremidade ultravioleta do espectro. Foi deduzido que a radiação ausente estava sendo absorvida por algo na atmosfera. Eventualmente, o espectro da radiação ausente foi comparado a apenas um produto químico conhecido, o ozônio. Suas propriedades foram exploradas em detalhes pelo meteorologista britânico GMB Dobson , que desenvolveu um espectrofotômetro simples (o Dobsonmeter ) que poderia ser usado para medir o ozônio estratosférico do solo. Entre 1928 e 1958, Dobson estabeleceu uma rede mundial de estações de monitoramento de ozônio, que continuam a operar até hoje. A " unidade Dobson ", uma medida conveniente da quantidade de ozônio no alto, é nomeada em sua homenagem.

A camada de ozônio absorve 97 a 99 por cento da luz ultravioleta de média freqüência do Sol (de cerca de 200  nm a 315 nm de comprimento de onda ), que de outra forma potencialmente danificaria formas de vida expostas perto da superfície.

Em 1976, pesquisas atmosféricas revelaram que a camada de ozônio estava sendo esgotada por produtos químicos liberados pela indústria, principalmente os clorofluorcarbonos (CFCs). As preocupações de que o aumento da radiação ultravioleta devido à redução do ozônio ameaçava a vida na Terra, incluindo o aumento do câncer de pele em humanos e outros problemas ecológicos, levou à proibição dos produtos químicos, e a evidência mais recente é que a redução do ozônio diminuiu ou parou. A Assembleia Geral das Nações Unidas designou 16 de setembro como o Dia Internacional para a Preservação da Camada de Ozônio .

Vênus também tem uma fina camada de ozônio a uma altitude de 100 quilômetros acima da superfície do planeta.

Fontes

Os mecanismos fotoquímicos que dão origem à camada de ozônio foram descobertos pelo físico britânico Sydney Chapman em 1930. O ozônio na estratosfera da Terra é criado pela luz ultravioleta que atinge as moléculas de oxigênio comuns contendo dois átomos de oxigênio (O 2 ), dividindo-os em átomos de oxigênio individuais (oxigênio atômico); o oxigênio atômico então se combina com o O 2 ininterrupto para criar o ozônio, O 3 . A molécula de ozônio é instável (embora, na estratosfera, tenha vida longa) e quando a luz ultravioleta atinge o ozônio, ela se divide em uma molécula de O 2 e um átomo individual de oxigênio, um processo contínuo denominado ciclo ozônio-oxigênio . Quimicamente, isso pode ser descrito como:

Cerca de 90 por cento do ozônio na atmosfera está contido na estratosfera. As concentrações de ozônio são maiores entre cerca de 20 e 40 quilômetros (66.000 e 131.000 pés), onde variam de cerca de 2 a 8 partes por milhão. Se todo o ozônio fosse comprimido à pressão do ar ao nível do mar, ele teria apenas 3 milímetros ( 18 polegadas) de espessura.

Luz ultravioleta

Níveis de energia UV-B em várias altitudes. A linha azul mostra a sensibilidade do DNA. A linha vermelha mostra o nível de energia de superfície com redução de 10 por cento no ozônio
Níveis de ozônio em várias altitudes e bloqueio de diferentes faixas de radiação ultravioleta. Essencialmente, todo o UV-C (100–280 nm) é bloqueado por dioxigênio (de 100–200 nm) ou então por ozônio (200–280 nm) na atmosfera. A porção mais curta da banda UV-C e o UV mais energético acima dessa banda causam a formação da camada de ozônio, quando átomos de oxigênio únicos produzidos pela fotólise UV de dioxigênio (abaixo de 240 nm) reagem com mais dioxigênio. A camada de ozônio também bloqueia a maior parte, mas não totalmente, da banda de UV-B (280–315 nm) que produz queimaduras solares, que fica em comprimentos de onda mais longos do que UV-C. A banda de UV mais próxima da luz visível, UV-A (315-400 nm), é dificilmente afetada pelo ozônio e a maior parte atinge o solo. O UV-A não causa principalmente vermelhidão da pele, mas há evidências de que causa danos à pele a longo prazo.

Embora a concentração de ozônio na camada de ozônio seja muito pequena, é de vital importância para a vida porque absorve a radiação ultravioleta (UV) biologicamente prejudicial vinda do sol. Extremamente curto ou UV a vácuo (10–100 nm) é filtrado pelo nitrogênio. A radiação UV capaz de penetrar no nitrogênio é dividida em três categorias, com base em seu comprimento de onda; estes são referidos como UV-A (400–315 nm), UV-B (315–280 nm) e UV-C (280–100 nm).

O UV-C, que é muito prejudicial a todos os seres vivos, é totalmente isolado por uma combinação de dioxigênio (<200 nm) e ozônio (> cerca de 200 nm) por cerca de 35 quilômetros (115.000 pés) de altitude. A radiação UV-B pode ser prejudicial à pele e é a principal causa de queimaduras solares ; a exposição excessiva também pode causar catarata, supressão do sistema imunológico e danos genéticos, resultando em problemas como câncer de pele . A camada de ozônio (que absorve de cerca de 200 nm a 310 nm com uma absorção máxima em cerca de 250 nm) é muito eficaz na filtragem de UV-B; para radiação com comprimento de onda de 290 nm, a intensidade no topo da atmosfera é 350 milhões de vezes mais forte do que na superfície da Terra. No entanto, algum UV-B, particularmente em seus comprimentos de onda mais longos, atinge a superfície e é importante para a produção de vitamina D da pele .

O ozônio é transparente para a maioria dos UV-A, então a maior parte dessa radiação UV de comprimento de onda mais longo atinge a superfície e constitui a maior parte do UV que chega à Terra. Esse tipo de radiação UV é significativamente menos prejudicial ao DNA , embora ainda possa causar danos físicos, envelhecimento prematuro da pele, danos genéticos indiretos e câncer de pele.

Distribuição na estratosfera

A espessura da camada de ozônio varia em todo o mundo e geralmente é mais fina perto do equador e mais espessa perto dos pólos. A espessura se refere à quantidade de ozônio existente em uma coluna em uma determinada área e varia de estação para estação. As razões para essas variações são devidas aos padrões de circulação atmosférica e à intensidade solar.

A maior parte do ozônio é produzida nos trópicos e é transportada em direção aos pólos por padrões de vento estratosféricos. No hemisfério norte, esses padrões, conhecidos como circulação Brewer-Dobson , tornam a camada de ozônio mais espessa na primavera e mais fina no outono. Quando o ozônio é produzido pela radiação ultravioleta solar nos trópicos, isso é feito pela circulação, retirando o ar pobre em ozônio da troposfera e indo para a estratosfera, onde o sol fotolisa as moléculas de oxigênio e as transforma em ozônio. Então, o ar rico em ozônio é transportado para latitudes mais altas e cai nas camadas mais baixas da atmosfera.

A pesquisa descobriu que os níveis de ozônio nos Estados Unidos são mais altos nos meses de primavera de abril e maio e os mais baixos em outubro. Enquanto a quantidade total de ozônio aumenta movendo-se dos trópicos para latitudes mais altas, as concentrações são maiores nas latitudes altas do norte do que nas latitudes altas do sul, com colunas de ozônio de primavera nas latitudes altas do norte ocasionalmente excedendo 600 DU e com média de 450 DU, enquanto 400 DU constituíam um máximo usual na Antártica antes da destruição antropogênica do ozônio. Essa diferença ocorreu naturalmente por causa do vórtice polar mais fraco e da circulação de Brewer-Dobson mais forte no hemisfério norte, devido às grandes cadeias de montanhas desse hemisfério e maiores contrastes entre as temperaturas da terra e do oceano. A diferença entre as latitudes altas do norte e do sul aumentou desde 1970 devido ao fenômeno do buraco de ozônio . As maiores quantidades de ozônio são encontradas no Ártico durante os meses de primavera de março e abril, mas a Antártica tem suas menores quantidades de ozônio durante os meses de verão de setembro e outubro,

Circulação de Brewer-Dobson na camada de ozônio.


Esgotamento

Projeções da NASA das concentrações de ozônio estratosférico se os clorofluorocarbonos não tivessem sido proibidos.

A camada de ozônio pode ser esgotada por catalisadores de radicais livres, incluindo óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N 2 O), hidroxila (OH), cloro atômico (Cl) e bromo atômico (Br). Embora existam fontes naturais para todas essas espécies , as concentrações de cloro e bromo aumentaram acentuadamente nas últimas décadas por causa da liberação de grandes quantidades de compostos organohalogênicos artificiais , especialmente clorofluorocarbonos (CFCs) e bromofluorocarbonos . Esses compostos altamente estáveis ​​são capazes de sobreviver à ascensão à estratosfera , onde os radicais Cl e Br são liberados pela ação da luz ultravioleta. Cada radical fica então livre para iniciar e catalisar uma reação em cadeia capaz de quebrar mais de 100.000 moléculas de ozônio. Em 2009, o óxido nitroso era a maior substância destruidora da camada de ozônio (SDO) emitida por atividades humanas.

Os níveis de ozônio atmosférico medidos por satélite mostram claras variações sazonais e parecem verificar seu declínio ao longo do tempo.

A quebra do ozônio na estratosfera resulta na redução da absorção da radiação ultravioleta. Consequentemente, a radiação ultravioleta perigosa e não absorvida é capaz de atingir a superfície da Terra com uma intensidade mais alta. Os níveis de ozônio caíram em uma média mundial de cerca de 4% desde o final dos anos 1970. Para aproximadamente 5 por cento da superfície da Terra, em torno dos pólos norte e sul, declínios sazonais muito maiores foram vistos e são descritos como "buracos de ozônio". A descoberta da redução anual do ozônio acima da Antártica foi anunciada pela primeira vez por Joe Farman , Brian Gardiner e Jonathan Shanklin , em um artigo publicado na Nature em 16 de maio de 1985.

Regulamento

Para apoiar as tentativas de regulamentação bem-sucedidas, o caso do ozônio foi comunicado a leigos "com metáforas de conexão fáceis de entender derivadas da cultura popular" e relacionadas a "riscos imediatos com relevância cotidiana". As metáforas específicas usadas na discussão (escudo de ozônio, buraco de ozônio) mostraram-se bastante úteis e, em comparação com a mudança climática global, o caso do ozônio foi muito mais visto como uma "questão quente" e risco iminente. Os leigos eram cautelosos quanto ao empobrecimento da camada de ozônio e aos riscos de câncer de pele.

Em 1978, os Estados Unidos, Canadá e Noruega promulgada proibição de CFC molecular contendo aerossóis sprays que danificam a camada de ozônio. A Comunidade Europeia rejeitou uma proposta análoga de fazer o mesmo. Nos EUA, os clorofluorocarbonos continuaram a ser usados ​​em outras aplicações, como refrigeração e limpeza industrial, até depois da descoberta do buraco de ozônio da Antártica em 1985. Após a negociação de um tratado internacional (o Protocolo de Montreal ), a produção de CFC foi limitada em 1986 níveis com compromissos de reduções de longo prazo. Isso permitiu uma introdução progressiva de dez anos para os países em desenvolvimento (identificados no Artigo 5 do protocolo). Desde então, o tratado foi emendado para proibir a produção de CFC após 1995 nos países desenvolvidos e, posteriormente, nos países em desenvolvimento. Hoje, todos os 197 países do mundo assinaram o tratado. A partir de 1o de janeiro de 1996, apenas CFCs reciclados e armazenados estavam disponíveis para uso em países desenvolvidos como os EUA. Essa eliminação gradual da produção foi possível devido aos esforços para garantir que haveria produtos químicos e tecnologias substitutos para todos os usos de SDO.

Em 2 de agosto de 2003, os cientistas anunciaram que a redução global da camada de ozônio pode estar diminuindo devido à regulamentação internacional de substâncias destruidoras da camada de ozônio. Em um estudo organizado pela American Geophysical Union , três satélites e três estações terrestres confirmaram que a taxa de destruição do ozônio na alta atmosfera diminuiu significativamente durante a década anterior. Pode-se esperar que algum colapso continue por causa de SDOs usados ​​por nações que não os baniram e por causa de gases que já estão na estratosfera. Alguns ODSs, incluindo CFCs, têm vidas atmosféricas muito longas, variando de 50 a mais de 100 anos. Estima-se que a camada de ozônio se recuperará aos níveis de 1980 perto da metade do século XXI. Uma tendência gradual em direção à "cura" foi relatada em 2016.

Os compostos que contêm ligações C – H (como hidroclorofluorocarbonos ou HCFCs) foram projetados para substituir os CFCs em certas aplicações. Esses compostos de substituição são mais reativos e menos propensos a sobreviver por tempo suficiente na atmosfera para atingir a estratosfera, onde podem afetar a camada de ozônio. Embora sejam menos prejudiciais do que os CFCs, os HCFCs podem ter um impacto negativo na camada de ozônio, portanto, também estão sendo eliminados. Estes, por sua vez, estão sendo substituídos por hidrofluorocarbonos (HFCs) e outros compostos que não destroem o ozônio estratosférico de forma alguma.

Os efeitos residuais dos CFCs que se acumulam na atmosfera levam a um gradiente de concentração entre a atmosfera e o oceano. Este composto organohalogênio é capaz de se dissolver nas águas superficiais do oceano e é capaz de atuar como um traçador dependente do tempo . Este rastreador ajuda os cientistas a estudar a circulação do oceano, rastreando caminhos biológicos, físicos e químicos

Implicações para a astronomia

Como o ozônio na atmosfera impede que a maior parte da radiação ultravioleta energética atinja a superfície da Terra, os dados astronômicos nesses comprimentos de onda devem ser coletados de satélites orbitando acima da atmosfera e da camada de ozônio. A maior parte da luz das estrelas quentes jovens está no ultravioleta e, portanto, o estudo desses comprimentos de onda é importante para estudar a origem das galáxias. O Galaxy Evolution Explorer, GALEX , é um telescópio espacial ultravioleta orbital lançado em 28 de abril de 2003, que operou até o início de 2012.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Ciência
Política

links externos