Usando moléculas de oxígeno raras atrapadas en burbujas de aire en hielo y nieve viejos, Científicos estadounidenses y franceses han respondido una pregunta de larga data:¿Cuánto han aumentado los niveles de ozono "malo" desde el comienzo de la Revolución Industrial?

"Hemos podido rastrear la cantidad de ozono que había en la atmósfera antigua, "dijo el geoquímico de la Universidad Rice Laurence Yeung, el autor principal de un estudio publicado en línea hoy en Naturaleza . "Esto no se ha hecho antes, y es notable que podamos hacerlo ".

Los investigadores utilizaron los nuevos datos en combinación con modelos de química atmosférica de última generación para establecer que los niveles de ozono en la atmósfera inferior, o troposfera, han aumentado en un límite superior del 40% desde 1850.

"Estos resultados muestran que los mejores modelos actuales simulan bien los niveles de ozono de la troposfera antigua, ", dijo Yeung." Eso refuerza nuestra confianza en su capacidad para predecir cómo cambiarán los niveles de ozono troposférico en el futuro ".

El equipo de investigación dirigido por Rice incluye investigadores de la Universidad de Rochester en Nueva York, el Instituto de Geociencias Ambientales del Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS) de la Université Grenoble Alpes (UGA), El Laboratorio de Control y Señal del Habla de Imágenes de Grenoble del CNRS en la UGA y el Laboratorio Francés de Ciencias Ambientales y del Clima del CNRS y la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA) en la Université Versailles-St Quentin.

"Estas medidas limitan la cantidad de calentamiento causado por el ozono antropogénico, "Dijo Yeung. Por ejemplo, Dijo que el informe más reciente del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) estimaba que el ozono en la atmósfera inferior de la Tierra hoy contribuye con 0,4 vatios por metro cuadrado de forzamiento radiativo al clima del planeta. pero el margen de error para esa predicción fue del 50%, o 0,2 vatios por metro cuadrado.

"Esa es una barra de error realmente grande, ", Dijo Yeung." Tener mejores estimaciones de ozono preindustrial puede reducir significativamente esas incertidumbres.

"Es como adivinar qué tan pesada es tu maleta cuando hay una tarifa por bolsas de más de 50 libras, ", dijo." Con las antiguas barras de error, estarías diciendo "Creo que mi bolso pesa entre 20 y 60 libras". Eso no es suficiente si no puede pagar la multa ".

El ozono es una molécula que contiene tres átomos de oxígeno. Producido en reacciones químicas que involucran la luz solar, es altamente reactivo, en parte debido a su tendencia a ceder uno de sus átomos para formar una molécula de oxígeno más estable. La mayor parte del ozono de la Tierra se encuentra en la estratosfera, que está a más de cinco millas sobre la superficie del planeta. El ozono estratosférico a veces se denomina ozono "bueno" porque bloquea la mayor parte de la radiación ultravioleta del sol. y por lo tanto es esencial para la vida en la Tierra.

El resto del ozono de la Tierra se encuentra en la troposfera, más cerca de la superficie. Aquí, La reactividad del ozono puede ser perjudicial para las plantas. animales y personas. Es por eso que el ozono troposférico a veces se llama ozono "malo". Por ejemplo, el ozono es un componente principal del smog urbano, que se forma cerca del nivel del suelo en reacciones impulsadas por la luz solar entre el oxígeno y los contaminantes de los gases de escape de los vehículos de motor. La Agencia de Protección Ambiental considera que la exposición a niveles de ozono superiores a 70 partes por mil millones durante ocho horas o más no es saludable.

"Lo que pasa con el ozono es que los científicos solo lo han estado estudiando en detalle durante algunas décadas, "dijo Yeung, un profesor asistente de la Tierra, ciencias ambientales y planetarias. "No sabíamos por qué el ozono era tan abundante en la contaminación del aire hasta la década de 1970. Fue entonces cuando comenzamos a reconocer cómo la contaminación del aire estaba cambiando la química atmosférica. Los automóviles elevaban el ozono a nivel del suelo".

Si bien las primeras mediciones del ozono troposférico datan de fines del siglo XIX, Yeung dijo que esos datos entran en conflicto con las mejores estimaciones de los modelos de química atmosférica de última generación.

"La mayoría de esos datos más antiguos provienen de pruebas de papel con almidón en las que el papel cambia de color después de reaccionar con el ozono, ", dijo." Las pruebas no son las más confiables:el cambio de color depende de la humedad relativa, por ejemplo, pero sugieren, sin embargo, que el ozono a nivel del suelo podría haber aumentado hasta un 300% durante el siglo pasado. A diferencia de, Los mejores modelos informáticos actuales sugieren un aumento más moderado del 25-50%. Esa es una gran diferencia.

"Simplemente no hay otros datos disponibles, por lo que es difícil saber cuál es el correcto o si ambos son correctos y esas medidas particulares no son un buen punto de referencia para toda la troposfera, "Dijo Yeung." La comunidad ha luchado con esta pregunta durante mucho tiempo. Queríamos encontrar nuevos datos que pudieran avanzar en este problema sin resolver ".

Encontrar nuevos datos sin embargo, no es sencillo. "El ozono es demasiado reactivo, por sí mismo, para conservarse en hielo o nieve, ", dijo." Entonces, buscamos la estela del ozono, las huellas que deja en las moléculas de oxígeno.

"Cuando el sol brilla, Las moléculas de ozono y oxígeno se crean y rompen constantemente en la atmósfera por la misma química, ", Dijo Yeung." Nuestro trabajo durante los últimos años ha encontrado una 'etiqueta' natural para esa química:la cantidad de isótopos raros que se agrupan ".

El laboratorio de Yeung se especializa tanto en medir como en explicar la aparición de estos isótopos agrupados en la atmósfera. Son moléculas que tienen el número habitual de átomos —dos para el oxígeno molecular— pero tienen isótopos raros de esos átomos sustituidos en lugar de los comunes. Por ejemplo, más del 99,5% de todos los átomos de oxígeno en la naturaleza tienen ocho protones y ocho neutrones, para un número total de masa atómica de 16. Solo dos de cada 1, 000 átomos de oxígeno son el isótopo más pesado oxígeno-18, que contiene dos neutrones adicionales. Un par de estos átomos de oxígeno-18 se denomina grupo de isótopos.

La gran mayoría de moléculas de oxígeno en cualquier muestra de aire contendrá dos oxígeno-16. Algunas raras excepciones contendrán uno de los raros átomos de oxígeno-18, y aún más raros serán los pares de oxígeno-18.

El laboratorio de Yeung es uno de los pocos en el mundo que puede medir exactamente cuántos de estos pares de oxígeno-18 hay en una muestra determinada de aire. Dijo que estos grupos de isótopos en el oxígeno molecular varían en abundancia dependiendo de dónde se produzca la química del ozono y el oxígeno. Debido a que la estratosfera inferior es muy fría, las probabilidades de que se forme un par de oxígeno-18 a partir de la química del ozono / oxígeno aumentan leve y predeciblemente en comparación con la misma reacción en la troposfera. En la troposfera donde hace más calor, La química del ozono / oxígeno produce un poco menos de pares de oxígeno-18.

Con el inicio de la industrialización y la quema de combustibles fósiles alrededor de 1850, los humanos comenzaron a agregar más ozono a la atmósfera inferior. Yeung y sus colegas razonaron que este aumento en la proporción de ozono troposférico debería haber dejado un rastro reconocible:una disminución en el número de pares de oxígeno 18 en la troposfera.

Usando núcleos de hielo y firn (nieve comprimida que aún no ha formado hielo) de la Antártida y Groenlandia, los investigadores construyeron un registro de pares de oxígeno-18 en oxígeno molecular desde la época preindustrial hasta el presente. La evidencia confirmó tanto el aumento del ozono troposférico como la magnitud del aumento que habían predicho los modelos atmosféricos recientes.

"Limitamos el aumento a menos del 40%, y el modelo químico más completo predice alrededor del 30%, "Dijo Yeung.

"Uno de los aspectos más interesantes fue qué tan bien coincidía el registro del núcleo de hielo con las predicciones del modelo, ", dijo." Este fue un caso en el que hicimos una medición, e independientemente, un modelo produjo algo que estaba muy de acuerdo con la evidencia experimental. Creo que muestra lo lejos que han llegado los científicos de la atmósfera y el clima para predecir con precisión cómo los humanos están cambiando la atmósfera de la Tierra, en particular su química ".