20 años del Protocolo de Montreal

Pascual Bolufer. Físico.
Instituto Químico de Sarriá29/11/2007

La fabricación y empleo de los CFC fueron prohibidos en Montreal en 1987. Se han cumplido los 50 años desde 1956, cuando G.M.B. Dobson en Halley Bay, Antártica, midió los niveles de ozono y se sorprendió de que eran 150 D.U. inferiores a los del Ártico.

Desde el Protocolo de Montreal las emisiones de CFC han ido disminuyendo.

Se presupone que para el 2015 el agujero antártico se habrá reducido solamente 1000 000 km2, de los 25 millones de antes. La recuperación completa de agujero no se espera antes de 2050.

Se está terminando la época de tolerancia y en el 2010 deben desaparecer los frigorígenos CFC y HCFC y aceptar los frigorígenos ODP (Potencial de Empobrecimiento del Ozono) nulo.

Los nuevos refrigerantes deben tener una buena eficacia energética en los sistemas convencionales, ausencia de toxicidad y de inflamabilidad y un débil potencial de recalentamiento planetario(GWP). Es difícil satisfacer todas estas exigencias.

Los gases con ODP nulo, ya en uso, suman 13 o más. La sustitución del año 2010 es posible.

Entre los frigorígenos naturales, que son de nuevo utilizados, señalamos el propano, butano, isobutano y el CO2. Es solo cuestión de tiempo y los compresores a CO2 a alta presión estarán desarrollados para la industria frigorífica.

El amoníano siempre se ha usado y ahora más todavía. Es único en razón de sus excelentes propiedades termodinámicas y su inocuidad respecto al medio ambiente. El sector del frío no utiliza mas que una parte ínfima de la producción mundial de amoniaco. En Europa más de 50 millones de refrigeradores domésticos utilizan el isobutano (R600a). Es muy eficaz, gracias a su temperatura crítica relativamente elevada (135ºC). Además es poco ruidoso, debido a las bajas presiones requeridas.

Los gases de efecto de invernadero tampoco ayudan a la recuperación del ozono, porque el calentamiento global causado por el CO2 enfriará la estratosfera, un factor favorable a la disminución de ozono.

Imagen del agujero de ozono antártico, obtenida por el Ozone Mapping Spectrometer el 6 de septiembre 2000.A la derecha, la escala en unidades Dobson. Se observa además del continente antártico, Chile y Argentina. Foto NASA.

La ozonosfera

Es la capa de ozono (O3) se halla en la atmósfera entre los 15 y 40 kms de altitud, en dependencia de la latitud geográfica. La capa fue descubierta en 1913 por los físicos franceses Charles Fabry y Henry Buisson. En 1928 G.Dobson estudió sus propiedades con el espectrofotómetro desarrollado por él, que podía medir el ozono estratosférico desde la superficie terrestre. Además G.Dobson estableció una red mundial de estaciones para registrar el nivel de ozono, que funcionan en la actualidad. La Unidad Dobson (DU) mide la cantidad de ozono y fue nombrada en su honor.

100 DU representan una columna de ozono de 1 mm de espesor en condiciones normales;1 atmósfera y 20ºC.

Cuando la columna de ozono baja de 200 DU, nos encontramos ante un agujero de ozono. La densidad de ozono varía mucho según latitud y longitud en el planeta. En general es menor en el ecuador y aumenta al acercarnos a los polos. También varía con la estación del año.

La altitud de la capa es máxima en el ecuador y mínima en los polos. Las causas de esta dependencia de la Latitud y de las Estaciones son complejas y forman parte de la circulación atmosférica. Los mecanismos fotoquímicos que producen la capa de ozono fueron investigados por el físico británico Sydney Chapman en 1930.Años más tarde, en 1957, tuve la satisfacción de saludarle, cuando visitó el Observatorio del Ebro, Tortosa. Entonces yo registraba los “atmosféricos” señales radioeléctricas reflejadas en la capa D ionosférica, a unos 80 kms de altitud.

Los tres ozonos alotrópicos

Se trata de formas alotrópicas, que están involucradas en el ciclo ozono-oxígeno: el atómico, el molecular y el triatómico. El ozono de la estratosfera terrestre es creado por la luz ultravioleta solar, el fotón con una longitud de onda inferior a 240 nm, que colisiona con las moléculas de oxígeno, las rompe ,y produce oxígeno atómico ;éste se combina con O2 y forma el O3 .

La molécula de ozono absorbe la luz UV, entre 310 y 200 nm. A continuación el ozono se rompe en una molécula de oxígeno y un átomo de oxígeno. Este oxígeno atómico se junta a una molécula de oxígeno para regenerar ozono. Este proceso continúa hasta que una molécula de ozono y un átomo de oxígeno forman 2O2.

Las moléculas de ozono son inestables, aunque en la estratosfera poseen una vida larga. En condiciones normales hay una producción y destrucción de ozono, relativamente igualadas, que mantienen la capa de ozono, en donde se encuentra el 90% del ozono atmosférico.

El ozono troposférico es creado a través de mecanismos diferentes. La capa de ozono filtra las radiaciones ultravioleta B(UV-B) con una longitud de onda de 270-315 nm y sobre todo las C(UV-C),las que tienen una longitud de onda menor; pero deja pasar a la superficie los ultravioleta A(UV-A).

Las radiaciones UV-A son beneficiosas, pues activan la producción de la vitamina D en los humanos.

Además el filtro de ozono nos protege de las radiaciones cósmicas de alta energía. Sin el filtro del ozono la vida en nuestro planeta no sería posible. La radiación UV-B es la causa de las quemaduras solares de la piel, eritema. Una exposición excesiva puede causar daños genéticos e incluso cáncer de piel y cataratas. Es conocido el cáncer de piel en trabajadores del campo, muy expuestos al sol.

Para proteger la capa de ozono las Naciones Unidas se reunieron el 16 de septiembre de 1987 para firmar el Protocolo de Montreal. A partir de entonces el 16 de septiembre se celebra el Día Mundial para la Preservación de la Capa de Ozono.

Nubes noctilucentes sobre Finlandia durante el crepúsculo de verano. Su altitud es de unos 80 km, en el límite superior de la mesosfera y comienzo de la capa D ionosférica. Están formadas por cristales de hielo. Poco luminosas, su observación no es fácil.

Se supone que contribuyen a destruir la capa de ozono estratosférico, a 30 km de altitud, porque hacen sombra a la capa estratosférica de ozono, a solo unos 40 km de altitud.

Las nubes noctilucentes reflejan la luz solar durante el crepúsculo; no confundir con la aurora boreal o austral,las cuales sí que emiten luz,a consecuencia de la interacción del viento solar(iones)con el campo magnético terrestre en la ionosfera terrestre. Foto Der Spiegel.Hamburg.

La estratosfera y el agujero de ozono

Ya que el ozono es producido por la UV solar, podríamos esperar que los valores de ozono más altos ocurrirían en los trópicos y los más bajos en los polos. Por los mismos motivos los niveles de ozono serian más altos en verano y más bajos en invierno. Pero la observación es diferente: la mayor parte del ozono se encuentra en Latitudes medias y altas del hemisferio norte y sur. El mayo nivel se encuentra en primavera, no en el verano. El menor nivel es en otoño y no en invierno.

La causa general es la circulación estratosférica, llamada circulación Brewer-Dobson. De hecho la mayor parte del ozono se produce en el Trópico, pero la circulación lo transporta hacia los polos y va perdiendo altitud en su desplazamiento.

La capa de ozono se halla a mayor altitud en los trópicos. Esto es consecuencia de la lenta circulación que eleva el ozono desde la troposfera hacia la estratosfera. Así se denomina a la zona de la ozonosfera donde se producen reducciones anormales del espesor de ozono, fenómeno anual observado durante la primavera en las regiones polares y que es seguido de una recuperación durante el verano. Sobre la Antártica la pérdida de ozono es del 70%,mientras que sobre el Artico llega solo al 30%.

El 13 de mayo de 2005 se publicó que el agujero de la Antártica seguía creciendo. En 2006 el nivel ha descendido al 33% del que tenía en 1975.

En el Artico, en primavera, hay años que también se presenta “el agujero”, pero de menor intensidad.

Niveles de ozono en el hemisferio sur, obtenidos por el Nimbus-7.En el centro la Antártida. Abajo, a la izquierda, la Patagonia argentina. El color violeta indica el nivel mínimo de ozono. Foto NASA-Noaa.

Los clorofuorocarbonos

Había que encontrar la causa de la reducción de ozono, que

G. Dobson anunció en 1956, y que ha ido aumentando con el paso de los años.

Las causas naturales explican la variación anual solamente. ¿No será el hombre, una vez más, el causante del mal?

Aquí entra el científico mexicano Mario J.Molina quien relacionó los CFC, o freones, por primera vez con las reducciones de ozono.

En reconocimiento a su investigación el 11 de octubre de 1995 recibió el Premio Nobel de Química, galardón que fue concedido también a su amigo y colaborador, el químico Sherwood Rowland, de la Universidad de California y al danés Paul Crutzen, del Max-Planck Institut de Química, en Mainz, Alemania.

Los CFC son completamente artificiales. No existían en la naturaleza. El clorofluorocarbono (CFC) es un derivado de los hidrocarburos saturados, obtenidos mediante la sustitución de átomos de hidrógeno por átomos de cloro y flúor.

Debido a su alta estabilidad físico-química han sido muy usados como líquidos refrigerantes, agentes extintores, propelentes para aerosoles. La fabricación y empleo de los CFC fueron prohibidos por el Protocolo de Montreal en 1987.El mecanismo a través del cual atacan a la capa de ozono es una reacción fotoquímica: al incidir los UV sobre el CFC,se libera un átomo de cloro con un electrón libre, el radical cloro, de fuerte afinidad por el ozono,y rompe su molécula.

El ozono en la estratosfera reacciona con radicales libres. Aquí podemos incluir NO,OH,Cl y Br atómicos. Las concentraciones de Cl y Br han aumentado hasta 1989,debido a las grandes cantidades de CFC y los bromofluorocarbonos o halones. Son compuestos muy estables, que pueden sobrevivir al ascender a la estratosfera, en donde los radicales Cl y Br son liberados por la acción de los UV. Cada radical es libre allí para iniciar y catalizar una reacción en cadena, apta para romper 10 000 moléculas de ozono. La destrucción se realiza principalmente con el Cl como catalizador.

Las reacciones básicas son:

Resumiendo: O3 +O=O2 +O2

El Br es aún más eficaz que el Cl para destruir ozono, pero actualmente hay poco Br en la atmósfera. Los niveles de ozono en la estratosfera del hemisferio norte han descendido 4% por década, pero hay zonas alrededor de los polos, sobre todo el austral, en donde el descenso es tal que son agujeros. Ya en 1985 Farman midió en el hemisferio austral reducciones del 70% durante la primavera. La causa es una temperatura estratosférica más baja que en el polo norte. Las nubes polares estratosféricas (NPE) desempeñan un papel importante en la Antártica en la destrucción de ozono. Se forman durante el invierno, en los 3 meses sin luz solar.

Pero no solo el sol ,vientos del polo sur contribuyen también a enfriar al máximo(-80ºC) las NPE y aparece en ellas el ácido nítrico.