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Rarefação da Camada de Ozono

A Rarefação da Camada de Ozono[pt] ou Rarefação da camada de ozônio[br] refere-se ao lento e constante declínio de aproximadamente 4 porcento por década no volume total de ozono na estratosfera da Terra (a camada de ozono) desde o final da década de 1970, e um muito maior, mas sazonal, declínio na camada estratosférica de ozono sobre as regiões polares da Terra durante o mesmo período. Este segundo fenómeno é comumente referido como o buraco da camada de ozono. Além deste conhecida destruição do ozono estratosférico, há também eventos de esgotamento do ozono troposférico, que ocorrem perto da superfície em regiões polares durante a primavera.[1]

Imagem do maior buraco na camada de ozono da Antártida jamais registrado (Setembro de 2006)

A principal causa da destruição da camada de ozono é a fabricação de produtos químicos, especialmente os halocarbonetos refrigerantes , solventes , propulsantes e agentes espumadores( clorofluorocarbonetos (CFCs), HCFCs, haloalcanos ). Estes compostos são transportados para a estratosfera através da mistura turbulenta (após serem emitidos da superfície), misturando muito mais rapidamente do que as moléculas podem assentar. Uma vez na estratosfera, eles libertam átomos de halogénio por meio de fotodissociação, que catalisa a decomposição do ozono (O3) em oxigénio (O2).[2]

O esgotamento da camada de ozono têm gerado preocupação mundial com o aumento dos riscos de cancro e outros efeitos negativos. A camada de ozono impede que os comprimentos de onda UVC (mais nocivos da luz ultravioleta) atravessem a atmosfera da Terra. Esses comprimentos de onda causam cancro da pele, queimaduras solares e cataratas, que aumentaram drasticamente como resultado da rarefação da ozonosfera (além de prejudicar plantas e animais). Essas preocupações levaram à adoção do Protocolo de Montreal em 1987, que proíbe a produção de CFCs, haloalcanos e outros produtos químicos que destroem a camada de ozono.[3]

A proibição entrou em vigor em 1989. Os níveis de ozono estabilizaram-se em meados dos anos 90 e começaram a melhorar nos anos 2000. A recuperação está projetada para continuar no próximo século, e o "buraco" na camada de ozono deverá atingir os níveis anteriores a 1980 por volta de 2075. O Protocolo de Montreal é considerado o acordo ambiental internacional mais bem-sucedido até hoje.[4]

Observações sobre a depleção da camada de ozônio

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O buraco no ozônio é geralmente medido pela redução no total de ozônio da coluna acima de um ponto na superfície da Terra. Isso normalmente é expresso em unidades Dobson; abreviado como "DU". A diminuição mais proeminente do ozônio ocorreu na estratosfera inferior. Diminuições acentuadas no ozônio da coluna na primavera antártica e no início do verão em comparação ao início da década de 1970 e antes foram observadas usando instrumentos como o espectrômetro de mapeamento total do ozônio (TOMS).[5]

De acordo com a NASA e a NOAA, o buraco anual de ozônio - que consiste em uma área de ozônio fortemente empobrecido, alta na estratosfera acima da Antártica, entre 11 e 40 quilômetros acima da superfície - atingiu sua extensão máxima de 6,3 milhões de milhas quadradas em 8 de setembro de 2019 e depois encolheu para menos de 3,9 milhões de milhas quadradas durante o restante de setembro e outubro. Durante anos com condições climáticas normais, o buraco no ozônio normalmente cresce no máximo cerca de 13 milhões de quilômetros quadrados.[6]

Efeito e distribuição do ozônio atmosférico

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Perfil de concentração de ozônio na atmosfera[7]
 
Efeito do ozônio nas camadas da atmosfera [8]

O ozônio é um componente natural da atmosfera, sendo um gás em baixa concentração que desempenha diferentes funções nas várias camadas atmosféricas. A altura da coluna de ozônio, que representa sua concentração total, é em média de cerca de 350 unidades Dobson, o que equivale a aproximadamente 0,035 metros sob condições padrão. Para comparação, a altura da coluna de toda a atmosfera é cerca de 8.031 metros sob as mesmas condições, enquanto a coluna de argônio, um gás nobre, mede 74 metros, e a de dióxido de carbono, 2,5 metros. Esses números evidenciam quão reduzida é a quantidade de ozônio na atmosfera e a grande sensibilidade da camada de ozônio associada a essa baixa concentração.[9]

Na atmosfera exposta ao sol, o ozônio entre aproximadamente 35 e 70 quilômetros de altitude tem uma vida útil inferior a um dia, uma escala de tempo muito menor do que os processos de transporte atmosférico nessa região. Nessa altitude, a química do ozônio é dominada por processos fotoquímicos em vez de transporte atmosférico. Conforme a radiação solar atravessa a atmosfera, sua intensidade diminui, resultando em menos energia disponível para reações fotoquímicas em altitudes mais baixas. Dessa forma, a vida útil do ozônio abaixo de cerca de 25 quilômetros se estende de meses a anos, e tanto os processos fotoquímicos quanto os de transporte passam a influenciar o equilíbrio de ozônio na baixa estratosfera.[10]

Cerca de 10% de todo o ozônio atmosférico está localizado na troposfera e 90% na estratosfera, onde se encontra a maior parte da camada de ozônio, entre 15 e 30 quilômetros de altitude.[11] Perto da superfície, o ozônio é prejudicial para a saúde humana e para ecossistemas terrestres; na troposfera livre, aumenta a capacidade de oxidação e a decomposição de poluentes; na alta troposfera, contribui para o efeito estufa; e, na estratosfera, absorve a radiação UV. Além de partículas finas, o ozônio próximo ao solo é considerado um poluente atmosférico significativo, responsável por cerca de 700 mil mortes anuais no mundo.[12] O ozônio causa irritação nas membranas mucosas e nos olhos; sua inalação provoca irritação do tecido pulmonar, aumentando a tosse e diminuindo a capacidade física.[13]

Em plantas, o ozônio gera espécies reativas de oxigênio, como o peróxido de hidrogênio, o que reduz a fotossíntese e o crescimento vegetativo. Devido aos impactos prejudiciais do ozônio próximo ao solo sobre o crescimento das plantas, ocorrem perdas econômicas globais, estimadas em 2012 entre 14 e 26 bilhões de dólares.[14] Na Alemanha, o limite de longo prazo para o ozônio ao nível do solo é de no máximo 120 microgramas por metro cúbico, calculado pela média das medições em estações selecionadas. Entre 2000 e 2023, esse valor foi excedido em média 19 dias por ano.[15]

Na troposfera livre, o ozônio reage com a água para formar radicais hidroxila, que interagem com diversos gases orgânicos em baixa concentração, óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono, ajudando a degradar poluentes na troposfera.[16] O ozônio troposférico é um dos gases de efeito estufa relevantes, junto ao vapor d’água, dióxido de carbono, metano, clorofluorcarbonetos (CFCs) e óxido nitroso (N₂O). Ele absorve radiação infravermelha em comprimentos de onda entre 9.000 e 10.000 nanômetros, uma faixa espectral onde poucos outros gases absorvem, próximo ao pico de emissão da Terra.[17]

O ozônio estratosférico absorve a maior parte da radiação UV-B, aquecendo a estratosfera e protegendo a superfície terrestre. Na troposfera, as temperaturas caem para menos de -50 °C na tropopausa, enquanto a absorção da radiação UV na estratosfera eleva a temperatura para até 0 °C em altitudes de 50 quilômetros.[18]

História

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Primeiros trabalhos

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Christian Friedrich Schönbein (1857)
 
Carlos Fabry
 
Sydney Chapman

Em 1839, o químico germano-suíço Christian Friedrich Schönbein anunciou ter descoberto uma nova substância, que chamou de "ozônio", derivando o nome da palavra grega ozein ( ὄζειν ), que significa "a coisa cheirosa". Ao realizar experimentos de eletrólise da água, ele percebeu um odor característico, indicando a presença de um novo composto, que se tratava de uma forma alotrópica de oxigênio. Schönbein sugeriu que o ozônio poderia ter um papel importante na atmosfera como desinfetante contra doenças epidêmicas e incentivou a realização de medições precisas de ozônio no ar.[19] Para isso, ele criou um "ozonômetro" feito de papel de amido iodado, mas os dados obtidos eram pouco confiáveis devido à interferência de fatores climáticos, como velocidade do vento e umidade.[20]

Outro avanço no estudo do ozônio atmosférico ocorreu em 1878, quando o físico francês Alfred Cornu descobriu que o espectro solar que chegava à Terra tinha uma interrupção abaixo de 300 nanômetros. Em 1881, o químico irlandês Walter Noel Hartley, com base em estudos espectroscópicos, propôs que essa absorção era causada pelo ozônio, levando ao reconhecimento da chamada "banda de Hartley" na faixa de comprimento de onda entre 200 e 300 nanômetros. As medições de Hartley concluíram que o ozônio era um componente natural da atmosfera terrestre.[21]

As propriedades espectroscópicas do ozônio, descobertas por Hartley, abriram caminho para que se medisse a quantidade total de ozônio na atmosfera. Em 1920, os físicos franceses Charles Fabry e Henri Buisson construíram um espectrógrafo e mediram a espessura da camada de ozônio sobre Marselha, calculando que ela teria cerca de 3 milímetros em condições padrão.[22] Eles também sugeriram que o ozônio era produzido pela radiação ultravioleta solar, formando uma camada a aproximadamente 50 km de altitude.[23]

Um avanço significativo na medição do ozônio foi feito por Gordon Dobson, que desenvolveu espectrofotômetros específicos para esse propósito, permitindo medições regulares da quantidade total de ozônio ao longo do tempo. A unidade "Dobson" foi criada em sua homenagem para medir a espessura da camada de ozônio.[24]

O geofísico Paul Götz e outros demonstraram que a concentração de ozônio na baixa atmosfera era baixa, com medições que indicavam espessuras de apenas alguns centésimos de milímetro por quilômetro.[25] Em 1926, no Observatório de Arosa, fundado por Götz, foram iniciadas as mais longas medições contínuas de ozônio atmosférico. As medições de Götz ajudaram a identificar que a concentração máxima de ozônio está a altitudes de 20 a 22 quilômetros.[26]

Em 1930, o geofísico britânico Sydney Chapman propôs uma teoria fotoquímica para a formação e destruição do ozônio na estratosfera, conhecida como ciclo ozônio-oxigênio ou ciclo de Chapman. Esse modelo explicava a produção e degradação do ozônio por meio de reações entre moléculas de oxigênio, átomos de oxigênio, luz UV e outras partículas neutras, descrevendo a distribuição do ozônio na estratosfera.[27]

Desenvolvimento de clorofluorcarbonos

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Também em 1930, a Frigidaire, subsidiária da General Motors e uma das principais fabricantes de refrigeradores nos Estados Unidos, buscava uma alternativa segura e não inflamável para os refrigerantes em uso na época. Até o final dos anos 1920, substâncias como amônia, clorometano e dióxido de enxofre eram usadas em sistemas de refrigeração e ar-condicionado, mas esses compostos apresentavam riscos devido à toxicidade ou inflamabilidade. Thomas Midgley, então pesquisador na General Motors, foi encarregado de solucionar esse problema.[28]

Com o apoio de Albert Leon Henne, Midgley focou na síntese de clorofluorcarbonos (CFCs), que eram atóxicos e altamente estáveis quimicamente. O primeiro CFC lançado no mercado foi o diclorodifluorometano, conhecido comercialmente como "Freon 12". Para produzir e comercializar refrigerantes à base de CFC, a General Motors e a DuPont fundaram a Kinetic Chemical Company em 1930. Em reconhecimento ao seu trabalho, Midgley foi premiado em 1937 com a Medalha Perkin pela Sociedade da Indústria Química. Em pouco tempo, o Freon e outros CFCs similares substituíram os refrigerantes tóxicos e inflamáveis anteriormente utilizados.[29]

Em 1937, aproximadamente metade das famílias americanas já possuía um refrigerador com CFCs. O consumo mundial desses compostos, como o triclorofluorometano e o diclorodifluorometano, cresceu rapidamente, alcançando quase um milhão de toneladas em 1974. Eles passaram a ser usados em sistemas de ar-condicionado, extintores de incêndio, espumas de poliestireno e poliuretano e como solventes na microeletrônica. Cerca de 70% dos CFCs foram empregados como propelentes em aerossóis para produtos como laquê, desodorantes, inseticidas e outras aplicações. Desde a sua criação na década de 1930 até o início dos anos 1970, esses compostos foram amplamente aceitos comercialmente, sem que houvesse questionamentos sobre o que ocorria com eles após serem liberados no ambiente.[30]

Paradeiro dos clorofluorocarbonos

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As primeiras evidências da presença de clorofluorcarbonos (CFCs) na atmosfera foram obtidas por James Lovelock, no início dos anos 1970, ao utilizar um cromatógrafo a gás com detector de captura de elétrons, inventado por ele. Durante férias na Península de Beara, na Irlanda,[31] Lovelock detectou triclorofluorometano, um composto que não possui fontes naturais conhecidas e cuja origem estava distante do local de medição. Posteriormente, ele encontrou esse CFC em amostras de ar coletadas na Antártica durante uma expedição com o navio de pesquisa RV Shackleton da British Antarctic Survey. As medições de Lovelock evidenciaram que, uma vez emitidos, os CFCs permanecem na atmosfera e são dispersos globalmente por meio de processos de transporte atmosférico.[32]

No final dos anos 1960, começaram debates públicos sobre os danos potenciais à camada de ozônio por causa de uma frota planejada de aviões supersônicos que voariam na estratosfera. Paul J. Crutzen e Harold S. Johnston demonstraram que óxidos de nitrogênio liberados na estratosfera poderiam afetar a camada de ozônio, enquanto Richard S. Stolarski e Ralph J. Cicerone identificaram que cloro atômico e monóxido de cloro desencadeiam ciclos catalíticos, semelhantes aos dos óxidos de nitrogênio, que também poderiam destruir a ozonosfera.[33] Em 1975, Steven C. Wofsy apontou que o bromo e o monóxido de bromo poderiam ter efeitos semelhantes.[34]

Em 1974, Frank Sherwood Rowland e Mario J. Molina publicaram na revista Nature um estudo sugerindo que os CFCs, inertes na baixa atmosfera, poderiam liberar cloro atômico ao serem expostos à radiação UV na estratosfera, o que acabaria afetando a camada de ozônio.[35] Esse estudo gerou grande repercussão, principalmente nos Estados Unidos, e incentivou a proibição dos CFCs em várias regiões.[36] Pelo trabalho sobre "química atmosférica, particularmente na formação e destruição do ozônio", Crutzen, Rowland e Molina foram agraciados com o Prêmio Nobel de Química em 1995.[37]

Descoberta do buraco na camada de ozônio

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Susan Solomon (2004)

Estimava-se que a destruição global do ozônio pelos CFCs aconteceria lentamente, causando uma redução de pequena porcentagem na camada, o que, segundo cálculos da EPA, resultaria em aumento da radiação UV-B e, consequentemente, em mais casos de câncer de pele. No entanto, em 1985, Joe Farman publicou um estudo revelando uma descoberta surpreendente: uma redução quase completa do ozônio sobre o Polo Sul na primavera antártica, que pela primeira vez chamou a atenção mundial para o "buraco" na camada de ozônio.[38] Esse buraco corresponde a uma área onde a concentração total de ozônio cai para menos de 220 unidades Dobson.[39]

Investigações posteriores mostraram que os dispositivos de medição a bordo dos satélites Nimbus da NASA, registraram essa destruição da camada de ozônio e identificaram o próprio buraco. No entanto, os algoritmos usados para processar os dados interpretaram os valores extremamente baixos de ozônio como erros de medição, descartando-os. Uma nova análise dos dados brutos dos instrumentos do satélite confirmou posteriormente a formação do buraco na camada de ozônio.[40] A descoberta de que essa destruição severa do ozônio antártico ocorreu em poucos anos, desde o final dos anos 1970, gerou grande preocupação.[41]

Inicialmente, a causa da destruição significativa do ozônio sobre a Antártica na primavera era desconhecida. Em 1986, a cientista atmosférica Susan Solomon propôs que o problema estava ligado à formação de gases de "reservatório" em reações que ocorrem nas nuvens estratosféricas polares. Esses gases reativos, ao serem expostos à luz solar da primavera antártica, causam uma destruição intensiva do ozônio.[42] A pesquisa de Solomon incentivou estudos sobre as reações heterogêneas nas nuvens estratosféricas polares, além do papel dos aerossóis na ativação de gases de "reservatório" cataliticamente inativos, como o cloreto de hidrogênio e o nitrato de cloro.[43]

Não foi só na Antártica que a camada de ozônio sofreu grandes perdas. Em 1992 e 1993, medições terrestres e satélites registraram níveis extremamente baixos de ozônio globalmente, com uma redução média de 11 a 13% na América do Norte, Europa e Sibéria, em relação ao nível normal.[44]

Século 21

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Níveis de ozônio e monóxido de cloro no Ártico em março de 2011, observados pela espaçonave Aura da NASA [45]

No século 21, avanços importantes foram alcançados na compreensão das nuvens estratosféricas polares e seu papel nas reações heterogêneas que afetam a camada de ozônio. Com a ajuda de medições espectrométricas de massa realizadas por balões, foi possível detectar partículas grandes, incluindo o tri-hidrato de ácido nítrico, que se sedimentam rapidamente, promovendo a desnitrificação na baixa estratosfera. Medições de LIDAR identificaram partículas líquidas em nuvens polares, compostas por soluções ternárias super-resfriadas de ácido sulfúrico, ácido nítrico e água. Tanto a desnitrificação quanto a ativação de gases de reserva em aerossóis com ácido sulfúrico contribuem para a destruição da camada de ozônio polar.[46]

Pesquisas contínuas, que envolvem observações atmosféricas, experimentos laboratoriais e modelos numéricos de química climática, permitiram simular processos físicos, dinâmicos e químicos complexos, incluindo variações na atividade solar, erupções vulcânicas significativas, impactos antropogênicos e o aumento dos gases de efeito estufa troposféricos, que resfriam a estratosfera. Com base nessas simulações computacionais, estima-se que a camada de ozônio poderá se recuperar totalmente até meados do século, embora os modelos científicos estejam sujeitos a incertezas consideráveis devido às diversas interações atmosféricas envolvidas.[47]

Destruições inesperadas da camada de ozônio também foram observadas fora da Antártica. Em dezembro de 2003, uma queda superior a 20% no ozônio total foi registrada no Planalto Tibetano, provavelmente causada pela movimentação de massas de ar com baixo teor de ozônio vindas dos subtrópicos. Em 2004, uma destruição severa de ozônio no Ártico foi associada ao aumento da atividade do vento solar, que liberou elétrons e prótons de alta energia na atmosfera terrestre, aumentando a produção de óxidos de nitrogênio. Esse processo, amplificado pelo forte vórtice estratosférico do Ártico, levou à destruição significativa do ozônio em altitudes acima de 40 km.[48] No inverno de 2010-2011, um dos mais frios registrados no Ártico, cerca de metade do ozônio da região foi destruída, criando um "buraco" semelhante ao que ocorre regularmente na Antártica.[49]

Ver também

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Bibliografia

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Referências

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