1-8: Productos Químicos Antropogenicos: CFCs

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Eugene S. Takle
© 1996

Hoy daremos inicio a una serie de dos partes sobre productos químicos antropogenicos persistentes en la atmósfera y sobre los procesos químicos y atmosféricos relacionados con el cambio global. Empecemos viendo un resumen de los niveles de ozono registrados y de sus reacciones en la estratosfera. La NASA tiene disponible un glosario de términos relacionados con el ozono y los CFC's, así como información general en "conociendo el ozono".

La primera gráfica corresponde a la primera evidencia publicada sobre la disminución del ozono sobre la Antártica.

Primera evidencia publicada de la disminución del ozono. Rowland, 1989: American Scientist 77, 36. Permiso dado por Sigma, Xi, The Scientific Research Society.

Esta gráfica mustra concentraciones de ozono en la primavera (del hemisferio sur), en unidades Dobson, para un periodo de 30 anos. En el 1950 la concentración de ozono era de alrededor de 320 unidades Dobson pero ha caido significativamente en anos recientes hasta alcanzar las 200 unidades, tal como se muestra en el gráfico. De hecho, en los últimos anos ha llegado a descender hasta un promedio de 100 unidades, sobre un área considerable, y en algunos puntos a llegado a cero: ausencia total de ozono.

Este comportamiento peculiar en las concentraciones de ozono no se limita a la Antártica, pero el efecto es mas pronunciado en esa región. El gráfico anexo muestra observaciones en Suiza, presentadas como la diferencia en niveles promedios de ozono para los periodos de 1931-1969 y 1970-1986.

No ha sido fácil de obtener evidencia de la desaparición del ozono en zonas fuera de la Antracita . Rowland, 1989: American Scientist, 77, 36. Permiso dado por Sigma, Xi, The Scientific Research Society.

La gráfica muestra que la reducción en el ozono sobre esta zona en los últimos anos es mas pronunciada en los meses de invierno.

La figura siguiente muestra datos mas recientes del perfil vertical de la presión parcial de ozono (en nanobares), como función de la altura.

Estación del Polo Sur, 1992 Agujero de Ozono. E. Dutton, NOAA.

Como recordaran, la troposfera se extiende desde la superficie de la tierra hasta unos 10 kilometros, llamándose a la zona siguiente estratosfera, hasta unos 50 kilómetros de altura. Las mediciones mostradas por la gráfica fueron tomadas en parte baja de la estratosfera sobre el Polo Sur, durante la primavera del ano 1992 (Hemisferio Sur). Es evidente que las concentraciones de ozono caen dramáticamente durante un corto periodo de tiempo hacia el final de septiembre hasta lecturas prácticamente cero en la región entre 15 y 20 kilómetros sobre el nivel del mar. Se puede observar una completa destrucción de la capa de ozono en un rango vertical bastante estrecho. Las mediciones de ozono total en columnas verticales de la atmósfera se hacen con el Espectrometro Registrador de Ozono Total (TOMS, por sus siglas en Ingles).

En la figura siguiente se muestran algunas de las reacciones que destruyen el ozono.

Ecuaciones de reacciones con CFCs.

El monoxido de cloro (ClO) reacciona con la molécula de ozono (O3) para producir una molécula de cloro (Cl2) y oxigeno biatómico (O2), de manera tal que, hemos tomado un O3 y un O y creado 2 moléculas de O2 . En este proceso el cloro no se neutraliza, sino que queda libre para repetir la reacción, y puede hacerlo hasta 100,000 veces antes de ser capturado. El cloro no es el único elemento o compuesto que puede comportarse de esta manera: los radicales NO y OH pueden hacer lo mismo, tal como lo muestra la figura.

Por tanto, si el cloro es el causante de la destrucción del ozono en la estratosfera (junto al NO y al OH, de los cuales hablaremos mas adelante) nos preguntamos: de donde viene?, como llega hasta allí? y por que es hoy en día un problema mayor que hace 50 anos? La principal fuente de cloro libre en la superficie de la tierra es la sal marina, NaCl, la cual puede disociarse y aportar abundantes cantidades de cloro sobre los océanos. Mientras esto representa una gran fuente natural de cloro libre, solo una cantidad muy pequeña de este sobrevive hasta alcanzar la estratosfera. La cantidad de este que escapa la troposfera contribuye a destruir una cantidad de ozono equivalente a la creada por la radiación solar.

Las fuentes antropogenicas del cloro incluyen procesos industriales y domésticos que usan el cloro como agente limpiador, desinfectante o blanqueador. El cloro es también ampliamente usado como desinfectante en el abastecimiento de agua y en piscinas.

Discusión con Don Wuebbles relativa a la eliminación paulatina del uso del cloro en la industria

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Mientras estas actividades representan fuentes muy importantes de cloro libre, no son consideradas como las responsables de la destrucción de la capa de ozono evidenciada en las gráficas previas.

Distribución del Cloro en la estratosfera normal.

La razón de esto, y la razón de que el cloro de los océanos no alcance la estratosfera, es que el cloro es muy reactivo en la parte baja de la atmósfera y rápidamente se combina con otros átomos o moléculas, neutralizándose cerca de la superficie. Para lograr que el cloro llegue hasta la estratosfera sin ser destruido en la parte baja de la atmósfera, tendríamos que disenar un compuesto que protegiese al cloro de las reacciones químicas en la troposfera y lo transportara los suficientemente alto, hasta donde la densidad de compuestos potencialmente reactivos es baja, y una vez allí lo dejase libre. Los clorofluorocarbonos (CFCs) son compuestos que cumplen con estas características.

Moléculas muy persistentes y que contienen cloro, tales como los CFCs, CF2, CL2, CCl3F, llegan hasta la estratosfera y allí reaccionan con la luz ultravioleta.

Distribución vertical de compuestos clorinados en la atmósfera.

Tan pronto se desprende un átomo de cloro de alguno de estos compuestos se inicia el proceso de destrucción del ozono. Podemos preguntarnos, por que en la estratosfera y por que sobre la Antártica? Las mediciones muestran una disminución en otras latitudes, pero por que el efecto es tan pronunciado sobre la Antártica?

Para responder a estas preguntas, necesitamos entender un poco la meteorología y la química de la estratosfera en el Hemisferio Sur. En julio el Polo Sur esta un su noche polar, o invierno polar, esto implica que el sol permanece bajo el horizonte durante todo el día, y tanto la superficie como la parte baja de la atmósfera se tornan muy frías. Las temperaturas en la estratosfera llegan a bajar hasta -90 grados Celsius, y se empiezan a formar nubes de partículas de hielo. Los cristales de hielo de estas partículas proporcionan una superficie local que permite la ocurrencia de diversas reacciones químicas.

Química Estratosferica (simplificada). Takle, G.S., 1995

El ácido clorhídrico (HCl) se combina con nitrato de cloro para formar Cl2 y NO/NO2. En la superficie de los cristales de hielo de las nubes, el agua de estos se combina con el nitrato de cloro para formar HOCl y NO/NO2. Cuando el sol sube sobre el horizonte al principio de la primavera (hacia el final de Agosto y en la primera parte de Septiembre), los primeros rayos de energía solar liberan átomos de cloro. Sin embargo, los óxidos de nitrógeno, que son los únicos "depredadores" de cloro, se mantienen adheridos a los cristales de hielo.

Meteorología de la Estratosfera Polar. Takle, G.S., 1995

El cloro queda entonces completamente libre para atacar las moléculas de ozono y convertirlas a oxigeno diatomico, hasta que un incremento adicional de la temperatura libera los óxidos de nitrógeno. El tiempo que transcurre entre la liberación del cloro y la de los óxidos de nitrógeno permite al cloro destruir ozono sin interrupción hasta que todo el ozono ha desaparecido. Resumiendo, es la combinación de la presencia de las nubes de hielo estratosferas en ausencia de suficiente luz solar como para liberar los compuestos de nitrógeno, lo que permite que el cloro libre convierta grandes cantidades de ozono a oxigeno diatomico.

Los científicos de la NASA han demostrado claramente esta conexión al volar sobre estas nubes, midiendo, al mismo tiempo, concentraciones de cloro, nitrato de cloro, y ozono. La relación entre el cloro, el nitrato de cloro y la desaparición del ozono esta bien establecida. Tres especialistas en química de la estratosfera han ganado el Premio Nobel en química por su trabajo en aclarar estas condiciones. A pesas de la aplastante cantidad de evidencia científica que demuestra la relación entre el incremento en la concentración de CFCs y la desaparición del ozono, continúan apareciendo artículos en respetables revistas de negocios negando dicha conexión. Típicamente, tales artículos citan el trabajo de científicos que no han publicado nada sobre el tema como sus autoridades. Este es un buen ejemplo de la necesidad de cuidadosa y críticamente revisar la evidencia que sustenta alegaciones que van en contra del consenso científico.

La tabla siguiente presenta el tiempo de vida (persistencia) de distintos compuestos que contienen cloro.

Principales Halocarbonos: Estadísticas y Usos. Fuentes: EPA, 1988a; Hammitt, et al., 1987; Wuebbles, 1983,; WMO, 1985.

Note que la persistencia atmosférica, en anos, va desde 60 hasta 400 anos, con los márgenes de error dados entre paréntesis. Por lo tanto, algunos de los CFCs que estamos liberando hacia la atmósfera hoy, estarán produciendo cloro que conllevara a la destrucción de ozono mucho tiempo después de que hayamos muerto. De manera similar, los haluros (fluorocarbonos, clorocarbonos, y tetracloruro de carbono), son bastante persistentes, pero no tanto como los CFCs. Algunos usos de los CFCs y de los haluros, tales como refrigeración, lubricantes, espumas y aerosoles, también se presentan en la tabla. La producción y uso de los CFCs y de los haluros ha disminuido considerablemente, por lo menos en los EUA, pero no a nivel mundial.

Es posible reducir los efectos adversos de los CFCs añadiendo un átomo de hidrogeno a la estructura molecular. Esto hace que la molécula sea un poco mas reactiva y, por lo tanto, que tenga menos posibilidades de sobrevivir hasta llegar a la estratosfera. La molécula resultante se llama HCFC o HFC. Por ejemplo, el HFC-134a es un posible sustituto del CFC-12, pero su proceso de producción es mas complejo, tal como se muestra en la figura anexa.

Proceso de Producción de HFC-134a. Fuente desconocida.

Transcripción de Theresa M. Nichols

Traducción de Indhira De Jesus