Las nuevas observaciones satelitales de las nubes estratosféricas polares han avanzado nuestra comprensión de cómo, cuándo y dónde se forman, su composición y su papel en el agotamiento del ozono.
Crédito: NASA / Lamont Poole.
Durante el invierno polar y la primavera, cuando las temperaturas son muy bajas, se pueden observar nubes en la estratosfera por encima de las regiones polares, normalmente entre 12 y 30 kilómetros de altitud. A diferencia de las nubes troposféricas, que son agua líquida o hielo, estas «nubes estratosféricas polares» (Polar Stratospheric Clouds, PSC) pueden ser hielo, cristales sólidos de trihidrato de ácido nítrico (NAT), gotas de solución ternaria líquida superenfriada (ácido sulfúrico / ácido nítrico / agua) (STS) , o combinaciones de estos. Un artículo publicado en Reviews of Geophysics describe cómo los nuevos instrumentos satelitales han mejorado nuestra comprensión de la ocurrencia y composición de las PSC. Aquí, uno de los autores describe lo que sabemos sobre las PSC y el papel que desempeñan en el agotamiento de la capa de ozono.
¿Cómo afectan las PSC a la química atmosférica en la estratosfera y por qué es esto importante?
Las PSC juegan un papel clave en el agotamiento químico del ozono estratosférico en las regiones polares, siendo la manifestación más prominente el “agujero” de ozono que se forma sobre la Antártida cada Septiembre. Con menos ozono en la estratosfera, más radiación ultravioleta biológicamente dañina llega a la superficie de la Tierra.
Las partículas de las PSC albergan reacciones químicas de fase mixta en sus superficies que activan el cloro, transformándolo de especies gaseosas relativamente inertes (como HCl y ClONO2) en formas que destruyen el ozono. Las velocidades de estas reacciones varían con la composición de las partículas de las PSC y el área de la superficie.
En segundo lugar, la sedimentación gravitacional de partículas grandes de PSC actúa para eliminar el nitrógeno reactivo (un proceso llamado «desnitrificación»), que luego ya no puede desactivar el cloro, prolongando así el ciclo de destrucción del ozono.
¿Cuánto tiempo han sabido los científicos sobre las PSCs y el papel que desempeñan?
Hay registros de avistamientos visuales de PSC desde el suelo, principalmente durante el invierno ártico, que se remontan a la década de 1870. Casi todos estos avistamientos fueron las llamadas nubes de hielo de nácar, que se forman en las crestas de las ondas atmosféricas inducidas por el flujo sobre un terreno montañoso.
Solo con el comienzo de la era de la teledetección por satélite a fines de la década de 1970 se descubrió que las PSC ocurren en grandes áreas tanto en el Ártico como en la Antártida y se observan durante gran parte del invierno en la Antártida. Y no fue hasta el descubrimiento del agujero de ozono antártico en 1985 que se planteó la hipótesis de un vínculo entre las PSC y el agotamiento del ozono y posteriormente se confirmó.
¿Qué diferentes instrumentos y técnicas se han utilizado para observar las PSCs?
Debido a la gran altitud de las PSCs y la dificultad operativa de realizar experimentos durante el invierno polar, hay relativamente pocas mediciones in situ de las PSC. La mayor parte de las observaciones de las PSC se han realizado mediante teledetección, en las que la aparición y composición de las PSC se infiere a través de cambios en las señales ópticas o infrarrojas inducidas por las nubes. Estos incluyen mediciones pasivas como la firma espectral de la radiación infrarroja emitida por las PSCs o cambios en la radiación solar a medida que atraviesa las PSCs. También hay mediciones activas que utilizan LIDAR, que proporciona una representación de alta resolución vertical de las PSC a partir de la retrodispersión de pulsos de luz láser por las partículas de la nube.
¿Cómo han avanzado los datos recopilados de los instrumentos espaciales en nuestra comprensión de la aparición y composición de las PSCs?
Las mediciones espaciales contemporáneas han avanzado nuestra comprensión de los procesos de formación de las PSC y la climatología de muchas maneras. Ahora sabemos que las mezclas STS-NAT son la composición predominante de las PSCs durante la mayor parte del invierno en ambos hemisferios, y que la absorción de ácido nítrico en fase gaseosa por las nubes depende en gran medida de la rapidez con la que se enfría el aire. En situaciones de enfriamiento rápido, la absorción está dominada por gotas de STS líquidas, mientras que en los casos con enfriamiento lento, predominan las partículas NAT favorecidas termodinámicamente. Ahora estamos seguros de que las partículas NAT se forman a temperaturas por encima del punto de congelación a través de algún mecanismo de nucleación selectiva, que quizás involucre polvo meteorítico.
En términos de climatología, la ocurrencia de las PSC en la Antártida es muy similar de un año a otro, mientras que cada temporada de PSC en el Ártico es única debido a la variabilidad mucho mayor en las temperaturas invernales allí. Además, la comparación de las mediciones contemporáneas con los datos de 1979 a 1989 sugiere que ha habido un aumento de las PSC del Ártico en Diciembre y Enero, posiblemente asociado con el cambio climático.
¿Cuáles son algunas de las preguntas sin resolver en las que se necesita investigación, datos o modelos adicionales?
Los análisis más recientes de las observaciones de las PSC por satélite han asumido que las partículas NAT son casi esféricas. Sin embargo, algunas observaciones infrarrojas de partículas NAT grandes solo pueden conciliarse asumiendo que las partículas tienen forma de aguja o de disco. Las mediciones de la forma de las partículas de NAT conducirían a cálculos más realistas de las propiedades ópticas de NAT y mejorarían la caracterización futura de la composición de las PSC.
La desnitrificación observada en ambas regiones polares proporciona evidencia de un mecanismo de nucleación de partículas NAT selectivo que da como resultado densidades de número de NAT que son óptimas para la desnitrificación. ¿Por qué y cómo los vórtices polares fríos producen de forma rutinaria y natural una densidad numérica aparentemente óptima de núcleos NAT?
Muchos modelos producen resultados razonables de agotamiento del ozono para inviernos antárticos muy fríos a pesar de tener representaciones burdas de las PSC porque el proceso de activación del cloro está “saturado” y no depende de los detalles de las reacciones químicas de las PSC o desnitrificación.
Sin embargo, cuando las temperaturas están cerca del umbral de formación de las PSC, como suele ser el caso en el Ártico, un esquema de PSC preciso producirá resultados de modelo mucho mejores que las simples aproximaciones. Por lo tanto, sigue siendo importante comprender y simular mejor los procesos de PSC en detalle, especialmente cuando se consideran los efectos de PSC frente a un clima cambiante.
—Lamont R. Poole ( lamont.r.poole@nasa.gov ,
0000-0003-2396-7559 ), Science Systems and Applications, Inc., EE. UU.
Artículo original: Poole, Lamont R. (2021), ‘New insights into polar stratospheric clouds’, Eos, 102, https://doi.org/10.1029/2021EO215001. October 18, 2021.
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Se discuten varias hipótesis para el agotamiento del ozono, incluida la teoría que sugiere que los compuestos de cloro podrían ser responsables del agujero de ozono, por el cual el cloro ingresa a la atmósfera como un componente de los clorofluorocarbonos producidos por los humanos. Los tres tipos de PSC, ácido nítrico trihidrato, agua-hielo de enfriamiento lento, y las nubes de hielo de agua que se enfrían rápidamente actúan como componentes importantes del agotamiento del ozono antártico. Se indica que la destrucción del ozono será más severa cada año durante las próximas décadas, lo que conducirá a duplicar el área del agujero de ozono antártico.
- Polar Stratospheric Clouds and Ozone Depletion. Owen B. Toon, Richard P. Turco. Scientific American. June 1991.
¿Un agujero de ozono en el Ártico? No exactamente
Créditos: Cortesía de Michael Studinger / Observatorio de la Tierra de la NASA.
Desde el descubrimiento del agujero de ozono en la Antártida, los científicos, los legisladores y el público se han preguntado si algún día podríamos ver un agotamiento igualmente extremo del ozono sobre el Ártico.
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- An Arctic ozone hole? Not quite. Audrey Resutek | Joint Program on the Science and Policy of Global Change. MIT. April 14, 2014.
Sin embargo cada diez años se da un valor muy bajo para la capa de ozono ártica (pero significativamente superior al que ocurre en la atmósfera antártica). La publicación a continuación lo expone y explica su causa.
- NASA reports Arctic stratospheric ozone depletion hit record low in March 2020. Ellen Gray. NASA Goddard Space Flight Center. Apr 16, 2020.
Crédito: Environment and Climate Change Canada.
A su vez, el agujero de ozono que ocurre anualmente sobre la Antártida, en 2020 fue uno de los más grandes y profundos de los últimos años. Los análisis muestran que el agujero ha alcanzado su tamaño máximo.
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