Distribución Global del Ozono

La cantidad de ozono total sobre la superficie de la tierra varía espacial y temporalmente a lo largo del globo. En la ausencia de cualquier otro factor se podría esperar que el total de los niveles de ozono fueran más altos sobre los trópicos que en las regiones polares debido a que es mayor la intensidad de la radiación solar ultravioleta en las regiones ecuatoriales. La distribución real del ozono no es un simple balance entre la producción y la pérdida. Los vientos estratosféricos pueden transportar el ozono fuera de la región de producción, alterando de esta manera la distribución básica del ozono y es por esta razón, que en los trópicos no se encuentran los mayores valores en la columna total del ozono producido en el trópico.

El ozono total tiene una gran variación con la latitud, es mayor en las latitudes medias y altas (cerca a los polos) que en la zona tropical, debido a que la circulación estratosférica conocida como la circulación Brewer-Dobson, transporta el ozono producido en el trópico desde los niveles bajos de la estratosfera hasta los niveles altos, donde las corrientes se bifurcan hacia los polos y el ozono es conducido sobre las zonas de latitudes altas, posteriormente es transportado a los niveles bajos de la estratosfera, y de esta manera es depositado en la baja estratosfera de las latitudes altas. Aproximadamente, de 4 a 5 meses, es el tiempo que demora una parcela de aire en ser transportada a través de la circulación Brewer-Dobson, a partir del nivel de tropopausa, situado entre los 16 y 18 km de altitud. En la figura 1 se observa el diagrama esquemático del modelo de flujo que constituye la circulación Brewer-Dobson. Las flechas negras representan el campo medio estratosférico de circulación del aire.

Figura 1. Medida del numero de densidad del ozono, en Unidades Dobson por kilómetro, a partir de medidas SBUV y diagrama esquemático de la circulación Brewer-Dobson. (Fuente: NASA)

La variación altitudinal del ozono también es un resultado de la lenta circulación que eleva el ozono desde la troposfera hasta la estratosfera. El aire troposférico pobre en ozono es enriquecido en la estratosfera mediante el proceso fotolítico de las moléculas de oxígeno, el cual es favorecido por la radiación solar. Como este aire sube despacio en los trópicos, progresivamente va ganando ozono.

Respecto a la variación espacial del ozono total, es posible notar zonas con alto contenido de ozono sobre Norteamérica y sobre Asia, en el hemisferio norte y sobre el sur del Océano Índico y sureste del Océano Pacífico, en el hemisferio sur, con valores superiores a 300 U.D. También se destacan dos zonas con menor contenido de ozono total: una ubicada sobre la Antártida y otra en la zona tropical sobre el norte de Suramérica, el Atlántico tropical y África central, donde se registran valores por debajo de 280 U.D.

Figura 2. Distribución media del ozono total, en unidades Dobson (o miliatmósferas) contenido en una columna de aire de 1 cm2 de sección que va desde la superficie de la Tierra hasta el tope de la atmósfera). (Fuente: Organización Meteorológica Mundial)

Debido a la estacionalidad de la circulación Brewer-Dobson, la cual es máxima en invierno y primavera, el ozono total presenta también una variación temporal. Además, como es característico en las ondas planetarias, estas son más fuertes y más variables en el hemisferio norte que en el sur, debido a aspectos como la distribución asimétrica de la superficie como son la topografía y la relación de áreas tierra-océano. Por lo anterior, los valores más altos del ozono total, a nivel global, se presentan sobre el Ártico entre febrero y abril (primavera del hemisferio norte) con cifras superiores a 400 U.D., mientras que, en la Antártida, durante la primavera del hemisferio sur, entre septiembre y octubre, se registran los valores más bajos a nivel global, inferiores a 220 U.D., formándose el agujero de ozono.

En las latitudes medias del hemisferio norte, la columna de ozono es más alta en la primavera, entre abril y mayo, paulatinamente decrece y en otoño, aproximadamente en octubre, registra los valores más bajos. En las latitudes medias del hemisferio sur, la columna de ozono tiene el mismo comportamiento estacional, durante el otoño, de marzo a mayo, se presentan los valores más bajos y en primavera, septiembre a noviembre los más altos.

En los trópicos, a lo largo del año, se presentan bajos valores en el ozono total debido a la circulación de vientos en la estratósfera mencionada anteriormente, a pesar de ser la zona de mayor producción, ya que, es donde hay mayor incidencia de radiación UV durante el año. En la figura 3 se observa que en la franja tropical se presentan valores bajos en los meses de diciembre, enero y febrero y los más altos entre agosto y octubre. Es de resaltar, que aunque en las figuras a (promedio global del periodo1979-1992) y b (promedio global del periodo1994-2003) se presentan configuraciones similares, en la figura b se presentan promedios un poco más bajos que en la figura a.

Figura 3. Promedio global del ozono total obtenido a partir de datos TOMS. (Fuente: Proyecto GOME - Monitoreo del Ozono Global)

Distribución Vertical del Ozono en Colombia

La distribución vertical de concentración de ozono entre superficie (SFC) y 7 milibares (34 km de altitud aproximadamente), sobre Bogotá, presentada en la tabla 1, muestra que las altas concentraciones de ozono se encuentran en la estratósfera, entre los 30 mb (25 km de altitud) y 20 mb (27 km de altitud), con un valor máximo de 13,94 mPa (milipascal), por debajo de los valores típicos globales para este nivel (ver tabla 2).

Tabla 1. Valores medios de las concentraciones de ozono (mPa) para Bogotá.

Nota: Corresponde a los promedios de los datos del periodo entre febrero de 1998 y octubre de 2007, obtenidos mediante los sondeos atmosféricos realizados mensualmente por el IDEAM. Estos promedios incluyen los datos de 57 ozonosondeos. 

También es posible identificar que en los primeros 2.000 metros de altura, entre superficie y 500 mb, se registra la mayor concentración de ozono troposférico, con valores por encima de 2 mPa (24 mg/m3).

Tabla 2. Concentraciones típicas de ozono para una altitud de 25 km, obtenida mediante el promedio de los registros globales.

(Fuente: OMM)

Distribución Espacial y Temporal del Ozono Total en Colombia

En Colombia, el promedio de la columna de ozono, varía entre 255 y 267 U.D., caracterizándose el mes de enero por presentar los valores más bajos, mientras que en agosto y septiembre se presentan los más altos. En la figura 4 se observa que la columna de ozono se hace más pequeña a lo largo de la cordillera, debido a que en esta zona el aire es más limpio y es más delgada la capa atmosférica, mientras que los promedios más altos se presentan en la región Caribe.

Figura 4. Distribución media del ozono total, en unidades Dobson (o miliatmósferas) contenido en una columna de aire de 1 cm2 de sección que va desde la superficie de la Tierra hasta el tope de la atmósfera, obtenidas a partir de las mediciones satelitales del Earth Probe Total Ozone Mapping Spectrometer (EP/TOMS NASA), periodo 1979-2003. (Fuente: IDEAM)

En la figura 5 se presentan los mapas de la distribución de la columna de ozono a lo largo del año, las cuales fueron obtenidas a partir de las mediciones satelitales del Nimbus7, Meteor3 y Earth Probe - Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS NASA), para el periodo 1979-2003.

En enero la columna de ozono presenta los valores más bajos en el año, por lo tanto es la época en la cual Colombia recibe mayor radiación ultravioleta; el sur de la región Caribe y el norte de la región Andina, registran los menores niveles de ozono, con mínimos de 240 U.D. sobre sectores de Antioquia, Boyacá, Santanderes, Cundinamarca y Eje cafetero; a partir de esta área del país los valores de ozono crecen latitudinalmente hacia el norte y sur, siendo más acentuado este aumento hacia la parte sur del país y es así como en Leticia la columna de ozono es de 256 U.D., en tanto que en el mar Caribe los valores se encuentran alrededor de 245 U.D.

Figura 5. Distribución media del ozono total a lo largo del año, en unidades Dobson (o miliatmósferas) contenido en una columna de aire de 1 cm2 de sección que va desde la superficie hasta el tope de la atmósfera, obtenidas a partir de las mediciones satelitales. (Fuente: IDEAM)

Entre enero y agosto se presenta un aumento generalizado de la columna de ozono y además se mantiene una distribución espacial similar, caracterizada porque en el norte del país el aumento es mayor que en el sur, con valores (en agosto) entre 280 a 288 U.D., mientras que en el trapecio amazónico fluctúan entre 267 y 273 U.D.. Los valores más bajos, entre 260 y 265 U.D., se registran en Nariño y zonas circundantes. En septiembre se observa un aumento de las concentraciones de ozono, de aproximadamente 3 U.D., más que en agosto sobre el sur del país, mientras que en el norte, el comportamiento toma un rumbo contrario, con disminuciones hasta de 6 U.D. En los meses subsiguientes la marcha del ozono continua en descenso en todo el territorio hasta el mes de enero.

Variación Espacio Temporal del Ozono

La atmósfera está continuamente en movimiento, los cuales ocurren sobre diferentes escalas de tiempo, oscilando desde un día hasta varios decenios. Estas variaciones atmosféricas pueden ser clasificadas en cuatro categorías: corto plazo, estacional, interanual y decadal.

Para los ciclos afines con la variabilidad interanual y decadal del ozono, se presenta una señal importante en sus variaciones temporales relacionadas con la Oscilación Cuasi-Bienal (QBO) cuyo periodo aproximadamente es de 27 a 30 meses, sin embargo es de anotar que en la zona correspondiente al Mar Caribe Colombiano, que se encuentra por encima de los 10 grados de latitud norte, esta señal se presenta con menor intensidad, debido a que la Oscilación Cuasi-Bienal (QBO) es un fenómeno ecuatorial y su relación con procesos fuera de estas latitudes cada vez es menor. En la zona del Mar Caribe Colombiano sobresale la relación con un ciclo de 115 meses, que bien puede corresponder con el ciclo solar, cuyo periodo es cercano a 11 años. La señal del ciclo solar para las demás regiones recae como el segundo factor en la variabilidad temporal del ozono.

En las regiones Mar Caribe Colombiano y Montaña Nariñense, la señal del ciclo EL Niño/La Niña, en la variabilidad del ozono, se sitúa en tercer lugar, mientras que en las otras regiones se encuentra enmascarada con la Oscilación Cuasi-Bienal (QBO).

A. Variabilidad a Corto Plazo: la variabilidad a corto plazo se refiere a las fluctuaciones que tienen lugar día a día y semana a semana. Hay varios tipos de variabilidad a corto plazo que afectan los procesos fotoquímicos del ozono en la estratósfera superior. Entre estas se incluyen las variaciones diurnas, variaciones en la radiación ultravioleta, variaciones dinámicas y eventos de precipitación de partículas producidas por tormentas electromagnéticas solares.

Variaciones diurnas: En la estratósfera superior, por encima de 40 km, donde el tiempo de reemplazo fotoquímico (tiempo para generar la concentración de ozono observado en un determinado lugar, considerando solamente las tasas de producción y no incluyendo las de pérdida), es inferior a un día, las variaciones del ozono ocurren con la salida y puesta diaria del Sol.

Variaciones de la radiación UV: La radiación ultravioleta solar está influenciada por las regiones magnéticamente activas en el Sol. Esto ocurre esporádicamente en las manchas solares, que son las regiones mas frías en el Sol, las cuales tienen una apariencia oscura comparada al resto del Sol. El campo magnético es especialmente fuerte en las regiones de las manchas solares. Estas manchas se presentan durante los periodos de máxima actividad solar, con ciclos de 11 años. Durante la actividad máxima solar, las manchas solares tienden a concentrarse sobre un lado del Sol. Como el Sol rota con un periodo de 27 días, la radiación ultravioleta procedente del Sol es así modulada por este periodo de rotación. Ocasionalmente, dos regiones activas de manchas solares ocurren en lados opuestos del Sol y una modulación de 13 días se presenta en la radiación ultravioleta. Estas modulaciones en la radiación ultravioleta tiene un efecto directo en los procesos fotoquímicos del ozono y por lo tanto en la cantidad de la columna de ozono.

El efecto de las manchas solares en la radiación ultravioleta solar depende fuertemente de la longitud de onda de la radiación ultravioleta. La tabla 3 presenta los cambios en la radiación ultravioleta saliente entre un máximo solar y un mínimo solar del ciclo de mancha solar típica como una función de la longitud de onda. La radiación UV saliente del Sol aumenta cuando la actividad de las manchas solares se incrementa.

Tabla 3. Variabilidad aproximada de la radiación ultravioleta en función de longitud de onda sobre un ciclo solar.

Fuente: Dessler et al., 1998.

Tormentas electromagnéticas solares: Durante las tormentas solares hay expulsión de grandes cantidades de protones de alta energía que pueden penetrar el campo magnético de la Tierra cerca de los polos. Estos protones penetran dentro la atmósfera, generalmente entre los 40 y 80 km, causando la ionización de moléculas de aire. Como las partículas ionizadas se recombinan, producen óxidos de nitrógeno e hidrogeno que pueden afectar el ozono a través de los ciclos del NOX y el HOX. Los efectos son de corta vida debido a que los óxidos de hidrogeno que causan la perdida de ozono primario se recombinan en un periodo de unas cuantas horas, mientras que los efectos por los óxidos de nitrógeno pueden persistir por varios meses.

Fluctuaciones dinámicas: Aunque la estratósfera superior es dominada por procesos de producción y pérdida fotoquímica, las variaciones dinámicas también producen variaciones a corto plazo. La propagación en la vertical de las ondas planetarias desde la baja atmósfera, que crecen en magnitud con la altitud, juega un papel importante, ya que las variaciones de temperatura producidas por ellas afectan las tasa de reacción fotoquímica.

El ozono varía como resultado de los fenómenos atmosféricos. Fenómenos de pequeña escala o de tiempo muy corto, que involucran sistemas como la convección de la Zona de Confluencia Intertropical, las ondas del este, los ciclones tropicales, pueden causar variaciones significativas del ozono, sólo en el curso de unas horas. La altura de la columna total de ozono está inversamente relacionada con los sistemas de presión. Estas variaciones son una respuesta al proceso de transporte y no de fotolisis como en los otros casos.

Los sistemas troposféricos, en particular aquellos que producen un cambio significativo del tiempo producen variaciones diarias en el ozono. Un ejemplo de esto lo proporciona la figura 6, correspondiente a los días 26 y 31 de octubre de 2000, donde se observan variaciones de 10 U.D. o más, en particular en los alrededores del archipiélago de San Andrés y Providencia y en la costa pacifica colombiana.

Figura 6. Distribución de la columna total de ozono en la atmósfera, para el 26 y 31 de octubre de 2000, obtenidas a partir de las mediciones satelitales del Earth Probe (EP/TOMS NASA).

B. Variabilidad Estacional: la variabilidad que a modo general se repite cada año, denominada variabilidad estacional es el ciclo anual. El ciclo anual del ozono es muy análogo e inverso al ciclo anual de la temperatura cerca de superficie. Las cantidades de ozono varían de una manera similar. En latitudes medias las cantidades de ozono serán mayores en invierno y a principios de la primavera y menores en verano y otoño.

En latitudes ecuatoriales las variaciones estacionales del ozono en la estratósfera superior son más complicadas. El doble paso del Sol sobre el ecuador a lo largo del año, da lugar a una oscilación semianual, es decir dos picos durante el año, en la temperatura y por lo tanto en las cantidades de ozono, de acuerdo con la figura 7. Sin embargo, la oscilación semianual de las temperaturas tropicales no es simétrica y los periodos no son de la misma duración.

Figura 7. Variación estacional del ozono y la temperatura en la alta estratósfera a 1 mb (48 km, aprox.), sobre el Ecuador entre 5°N y 5°S. (Fuente: NASA)

Esta situación se refleja en el sur del país con un máximo significativo en la columna de ozono, cercano a 270 U.D. en el mes de septiembre; otro máximo relativo no muy marcado se observa en abril, con niveles alrededor de 260 U.D. en las zonas bajas, con alturas próximas al nivel del mar, en tanto que en las zonas de montaña (ejm. Nariño), este valor decrece en 10 U.D., tal como se aprecia en la figura 8; en el resto del país el comportamiento tiende a ser monomodal con un máximo pronunciado entre agosto y septiembre, cuyo valor alcanza 280 U.D. Los niveles más bajos en la columna de ozono se presentan en enero, con valores cercanos a 240 U.D., en el norte del país, mientras que en el sur del territorio nacional son mayores en 10 U.D.

C. Variabilidad Interanual: la forma y la amplitud de la distribución anual del ozono total varía de año en año, las cuales pueden ser observadas removiendo el ciclo estacional. En este tipo de fluctuaciones conocidas como variabilidad interanual, la Oscilación Cuasi-Bienal (QBO) desempeña un papel importante en las variaciones del ozono.

La QBO es una oscilación de los vientos zonales en la estratósfera tropical, con un periodo, aproximadamente de 27 a 30 meses, entre 10 hPa y 100 hPa. Durante este periodo, se presentan dos fases que duran entre 12 a 15 meses en las que los vientos estratosféricos tropicales se alternan del este y del oeste. La QBO se desarrolla como un resultado de los disturbios u ondas de la tropósfera tropical que se propagan verticalmente dentro de la baja estratósfera. La QBO no solo cambia la circulación en los trópicos, sino también indirectamente causa cambios en latitudes medias y altas. Las ondas que causan la inversión de los vientos tropicales ejercen un arrastre en el flujo. Durante una de las fases de la QBO, este arrastre induce una circulación a través de la estratósfera. Esta circulación entra en la baja estratósfera del trópico y sale por la media estratósfera extratropical.

Figura 8. Variación estacional de la columna total de ozono en Colombia, obtenidas a partir de las mediciones satelitales con Espectrómetro Cartográfico Total de Ozono -TOMS NASA- para el periodo 1979-1999. (Fuente: IDEAM)

Durante la otra fase de la QBO, la circulación inducida invierte el orden, el movimiento se da entre el extratrópico y el trópico. Con estos dos tipos de circulación, el aire es transportado entre las dos regiones y por lo tanto las masas de aire transportadas tienen concentraciones diferentes de ozono.

Como se observa en la figura 9, en la fase de los vientos zonales del oeste (anomalías del viento zonal identificadas en color rojo), la columna de ozono presenta valores por encima del promedio hasta de 10 U.D. más, siendo este valor máximo coincidente con la fase máxima de los oestes, especialmente entre los 10°N y 5°S, en la zona del mar Caribe la señal se mantiene pero con características más débiles.

Durante la fase de vientos zonales del este se exhiben anomalías negativas en el ozono total, presentándose simultáneamente los extremos mínimos, particularmente en el área ecuatorial.

Figura 9. Variación interanual de la columna total de ozono (escala de -20 a +20) en las principales regiones de Colombia, obtenidas a partir de las mediciones satelitales con el sensor TOMS de la NASA y anomalías del viento zonal a 30 hPa (ordenada izquierda) para el periodo 1979-1999. (Fuente: IDEAM).

El Niño-Oscilación del Sur (ENSO), es un fenómeno muy irregular, con un periodo de 4-7 años entre eventos. Este fenómeno se refleja con extensas anomalías positivas de la temperatura superficial del Océano Pacifico ecuatorial. Normalmente, los aguas del Océano Pacifico Oriental, cerca Sur América son frías como un resultado del surgimiento de las corrientes oceánicas profundas y frías en superficie. Los vientos alisios de la baja tropósfera, normalmente se desplazan de este a oeste en esta región. Sin embargo, en un evento El Niño, los vientos alisios se debilitan, permitiendo que las aguas cálidas del Océano Pacifico Occidental migren hacia el este. Estos cambios de la temperatura superficial del mar van acompañados con alteraciones en los patrones de la circulación global en la tropósfera y baja estratósfera y por lo tanto afectan el transporte de ozono en estas regiones. Durante los eventos La Niña, la situación es inversa, con anomalías negativas de la temperatura superficial del mar y los vientos alisios se fortalecen.

Las variaciones de ozono sobre Colombia como una respuesta a El Niño/La Niña, no presentan una señal tan fuerte y consistente como en la Oscilación Cuasi-Bienal, tal como se presenta en la figura 10. Una vez removido el ciclo de la QBO, parece observarse una correlación directa con la temperatura superficial del mar, con un adelanto de unos 8 a 10 meses aproximadamente. Los efectos de los fenómenos El Niño/La Niña no son claros y posiblemente estén enmascarados con otro tipo de variaciones aun no discernibles.

Figura 10. Variación interanual de la columna total de ozono sin el ciclo de la QBO (escala de -20 a +10), para las principales regiones de Colombia, obtenidas a partir de las mediciones satelitales con el sensor TOMS de la NASA y anomalías de la temperatura superficial del mar (°C) en el Océano Pacífico para el periodo 1979-1999 (ordenada izquierda). (Fuente: IDEAM). 

D. Variabilidad Decadal. En el ciclo solar de 11 años, las variaciones de la radiación ultravioleta solar incidente también producen fluctuaciones en el comportamiento del ozono en la estratósfera. Un aumento en la radiación ultravioleta solar es observado durante la fase máxima del ciclo solar , lo cual conduce a una mayor producción de ozono por fotolisis de O2. El estado fotoquímico de la estratósfera superior permite por lo tanto un aumento en la concentración de ozono, entre el 2% y el 5%, con respecto al valor medio anual, tal como lo muestra la figura 11, donde se presentan las anomalías del ozono y de las manchas solares para el periodo 1979-1999, incluyendo dos ciclo solares. En las fases que corresponden al decaimiento de las manchas solares se presenta una situación inversa con respecto al comportamiento del ozono, disminuyéndose su concentración.

Las erupciones volcánicas pueden tener efectos significativos en las concentraciones de ozono. Durante una erupción, grandes cantidades de sulfato pulverizado es inyectado a la estratósfera, como en la erupción del Monte Pinatubo en Filipinas, en junio de 1991, donde este tipo de material alcanzó alturas entre 30 y 35 km, alterando los procesos químicos naturales de la atmósfera.

La variabilidad decadal también puede tener causas de origen antrópico como una consecuencia del crecimiento gradual en las cantidades de cloro y clorofluorocarbonos en la estratósfera que destruyen el ozono.

Figura 11. Anomalías de la columna de ozono en las principales regiones de Colombia (escala de -30 a +20) y del número de las manchas solares (escala 0 a 250) para el periodo 1979-1999. La línea negra es la tendencia polinomial para el ozono (Fuente: IDEAM).

Tendencia del Ozono en Colombia

La variabilidad a largo plazo en escalas de decenios es una tendencia. La variabilidad del ozono a largo plazo puede tener causas de origen antrópico por el crecimiento gradual de las cantidades de cloro y clorofluorocarbonos (CFCs) en la estratósfera, los cuales destruyen el ozono.

Figura 12. Tendencia de la columna de ozono para las principales regiones de Colombia, obtenidas a partir de las mediciones satelitales con Espectrómetro Cartográfico Total de Ozono (/TOMS NASA). (Fuente:IDEAM)

El interés de analizar la tendencia del ozono total en el trópico y especialmente en Colombia, es de vital importancia por su relación inversa con la cantidad de radiación ultravioleta que alcanza la superficie, ya que un decrecimiento en la columna total de ozono permitiría que una mayor cantidad de radiación ultravioleta penetre a través de la atmósfera, lo cual puede llegar a producir severos daños biológicos en plantas, animales y el hombre (UNEP, 1991). Sin embargo, es de anotar que con las series 1979-1999 para las diferentes regiones de Colombia no se observa tendencia alguna en el comportamiento del ozono (ver Fig. 12).