Reducción del ozono en la troposfera libre en el Hemisferio Norte debido a la crisis del COVID-19
Durante la primavera-verano de 2020, la crisis mundial asociada al COVID-19 provocó que todos los países tuvieran que tomar medidas drásticas para contener la propagación del virus, como fueron el confinamiento de la población y, en muchos países, la reducción de gran parte de la actividad industrial, comercial y de transporte no prioritaria. Estas medidas provocaron una importante disminución de la emisión de gases, no sólo en las capas bajas de la atmósfera, sino también a lo largo de la troposfera por la reducción de emisiones relacionadas con el transporte aéreo. Ante esta situación, la comunidad científica internacional se ha cuestionado qué efectos ha tenido esta reducción de las emisiones de gases sobre el medio ambiente y cómo ha afectado a la distribución promedio de ciertos gases en atmósfera libre, como es el caso del ozono troposférico (O3).
Con el fin de conocer cuál ha sido el comportamiento del ozono en la atmósfera libre durante este periodo de reducción de emisiones del 2020, la comunidad científica que trabaja en la medida de ozono troposférico ha colaborado en la comparación y el análisis de los perfiles verticales de ozono obtenidos con tres técnicas de medida diferentes: ozonosondeos, espectrómetros de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR, Fourier Transform Infrared Spectrometers) y LIDAR (Light Detection and Ranging) troposféricos. Esta colaboración de más de 30 instituciones de 16 países ha dado como resultado la publicación del artículo “COVID-19 Crisis Reduces Free Tropospheric Ozone across the Northern Hemisphere”, https://doi.org/10.1029/2020GL091987, (Steinbrecht et al., 2021), donde se dan las claves para entender cuál ha sido el comportamiento del ozono en la atmósfera libre en este periodo. En este trabajo han participado cuatro miembros de la AEMET, contribuyendo con las medidas del FTIR del CIAI en el Observatorio de Izaña (Tenerife) y con los perfiles de ozono de los sondeos realizados desde Barajas (Madrid) y Tenerife.
Figura 1. Distribución vertical del promedio de las anomalías del ozono troposférico para la región extra-tropical en el hemisferio norte durante la primavera-verano del periodo 2010-2020. Se observa en el 2020 una banda azul que corresponde a niveles bajos de ozono en toda la troposfera libre. Esta notable reducción del ozono troposférico es causada principalmente por las reducciones de emisiones de gases a nivel mundial debido a la desaceleración económica del COVID-19. Fuente: Steinbrecht et al., (2021).
La reducción directa de la quema de combustibles en la industria/transporte implica una disminución de la emisión de compuestos como los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles (VOCs). Estos compuestos intervienen directamente en las reacciones fotoquímicas de generación y destrucción del ozono en la atmósfera. En atmósferas con baja/media contaminación inicial, la disminución de la emisión de NOx y/o VOCs reduce la producción fotoquímica del ozono, lo que implica una reducción de ozono. En cambio, en atmósferas con una alta contaminación previa, la reducción de NOx puede incrementar la concentración de ozono, dado que existirá menos cantidad de NOx disponible para intervenir en las reacciones de destrucción del ozono.
En la atmósfera libre, el ozono es un importante gas de efecto invernadero que tiene un papel clave en las reacciones químicas troposféricas, dada su alta capacidad oxidante. La troposfera libre del hemisferio norte está dominada por la producción fotoquímica neta de ozono, que es proporcional (aunque no lineal) a la disponibilidad de sus gases precursores. Además, en la distribución global del ozono troposférico también hay que tener muy en cuenta la circulación atmosférica, con el transporte latitudinal de masas de aire con diferente contenido de ozono, así como los intercambios estratosfera-troposfera.
Figura 2. Imágenes del promedio mensual del contenido total de ozono sobre la región ártica durante el 2020, obtenida de datos de satélite. Imágenes de NASA Ozone Watch, Goddard Space Flight Center/NASA (https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/NH.html).
La primavera-verano del 2020 no sólo fue atípica por la crisis asociada con el COVID-19, que ha provocado una reducción de las emisiones de gases a escala mundial, sino también a nivel de circulación atmosférica ya que se ha caracterizado por una disminución récord de la capa de ozono en el Ártico (Figure 2). Esta disminución de ozono en la estratosfera, cuyas causas son principalmente meteorológicas, se debió a que durante el periodo de invierno se estableció en el Ártico un vórtice polar muy fuerte y persistente con temperaturas muy bajas en la estratosfera. Esta situación de “bloqueo” favoreció la concentración de compuestos que aceleran las reacciones de destrucción del ozono, lo que hizo que a partir de la primavera se destruyera una mayor cantidad de ozono con el aumento de la radiación solar (radiación UV) en esta región. La propia circulación hizo que estas masas de aire pobres en ozono se desplazaran hacia latitudes más bajas de lo normal. Una situación similar también ocurrió en el 2011, detectándose niveles muy bajos de ozono en la estratosfera sobre Europa y Canadá, con un aumento del índice UV en superficie. La comparación de estos dos episodios (2011 y 2020), con una reducción de ozono tan importante, nos permite entender qué parte de la disminución de ozono observada el pasado año fue debida a causas meteorológicas (circulación/transporte) y cuál podría tener otras causas.
Para el análisis del ozono troposférico en el 2020 durante la reducción de emisiones asociada a la crisis del COVID-19, se usaron los perfiles verticales de ozono obtenidos con tres técnicas de medidas diferentes, para así poder descartar que el resultado observado estuviera directamente relacionado con el método de medida del ozono aplicado. Se usaron los ozonosondeos de 31 estaciones, las cuales han realizado al menos un sondeo al mes desde el año 2000 hasta julio de 2020. Los ozonosondeos permiten conocer cuál es la distribución vertical de ozono en la troposfera y en la estratosfera hasta una altura aproximada de 30km, con una resolución vertical de unos 100m y con una precisión en el contenido de ozono de un 5%-15% en la troposfera y un 5% en la estratosfera (WMO, 2014). Además se usaron, los perfiles verticales de ozono obtenidos con los espectrómetros FTIR de 12 estaciones que, aunque tiene una resolución vertical menor a la de los sondeos, presentan una precisión del mismo orden (5%-10%, Vigouroux et al., 2015), y los datos de 2 LIDAR troposféricos, los cuales proporcionan perfiles de ozono entre 3 y 12 km, con una precisión comparable (5%-10%, Leblanc et al., 2018).
Figura 3. Distribución geográfica del promedio de las anomalías del ozono troposférico (promedio de los meses de abril a agosto para una altitud de 1 a 8 km). Graficas superiores: anomalía para los ozonosondeos (circulo) y para el FTIR o LIDAR (cuadrado), para los años 2011 y 2020 (izquierda y derecha, respectivamente). Gráficas inferiores: Anomalía para CAMS, para los años 2011 y 2020 (izquierda y derecha, respectivamente). Fuente: Steinbrecht et al., (2021).
Además, también se compararon los datos de ozono observados con los re-análisis (2003-2019) y análisis (2020) de la composición atmosférica de Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) (Figura 3). Estos (re-)análisis están basados en campos meteorológicos y en asimilación de observaciones de O3 y NO2 de satélite. A la hora de interpretar estos datos, hay que tener en cuenta que a nivel troposférico, tanto los NOx como el O3, están más influenciados por las emisiones prestablecidas frente a lo que ocurre en la estratosfera, donde la influencia es mayor de la parte de asimilación de los datos de satélite. En el caso de los análisis CAMS de 2020 se ha tenido en cuenta las emisiones ya prestablecidas, y no la reducción de emisiones debida a la crisis del COVID-19.
Al comparar los perfiles verticales de las anomalías de ozono promediados de abril a agosto de cada estación (Figura 4) para los años 2011 y 2020 en los que, como ya hemos indicado, se ha dado la mayor reducción de ozono estratosférico asociado al vórtice polar ártico, observamos una clara diferencia. En el 2011, la reducción promedio de la anomalía se observa por encima de los 9 km, mientras que por debajo es mínima, por lo que la reducción de ozono estratosférico parece influir poco en la concentración del ozono troposférico, mientras que en el 2020 la anomalía negativa se observa en todos los niveles. Al evaluar el reanálisis CAMS para 2011, se obtiene un resultado muy similar a los promedios de las anomalías obtenidos con las observaciones: mínimo de la anomalía en la estratosfera y entorno a cero en la troposfera libre. En cambio, el análisis CAMS de 2020, aunque reproduce una situación equivalente a la del 2011, con un mínimo de ozono estratosférico y poca influencia en la troposfera libre, no es coincidente con las anomalías obtenidas a partir de los perfiles de ozono en la troposfera libre. Teniendo en cuentas que el análisis CAMS de 2020 se realizó a partir de las emisiones prestablecidas que no reflejaban la reducción de emisión de gases por la crisis del COVID, parece todo indicar que una gran parte de reducción de ozono troposférico en la atmósfera libre durante el 2020 se debe principalmente a esta reducción de emisiones debidas a la crisis del COVID. Además, la anomalía observada si es consistente con simulaciones de modelos químicos-climáticos, en los que se ha asumido una reducción de emisiones a semejanza de lo ocurrido durante ese periodo del 2020 (Weber et al., 2020).
Figura 4. Perfiles de la anomalía de ozono (%) promediados de abril a agosto de cada estación para el 2011 (figura 4.a) y 2020 (figura 4.b). La líneas azules son los perfiles correspondientes a estaciones extra-tropicales del hemisferio norte (>15ºN), mientras que el resto de estaciones son las líneas naranjas (al sur de 15ºN). La línea azul fuerte corresponde al promedio de todas las estaciones extra-tropicales del hemisferio norte, mientras que las líneas azules débil corresponde al intervalo de confianza del 95%. La línea roja de la figura 4.b corresponde a una simulación para 40ºN de Weber et al. (2020). Las figuras 4.c y 4.d son equivalentes a las figuras 4.a y 4.b, respectivamente, pero con los (re-)análisis CAMS en el punto más cercano a cada estación. Fuente: Steinbrecht et al., (2021).
Del análisis de todos los datos se concluye que, entre abril y agosto de 2020, las estaciones extra-tropicales del hemisferio norte midieron en promedio un 7% (~4 nmol/mol = ppb) menos de ozono troposférico (entre 1 – 8 km) que lo normal (promedio de referencia 2000-2020) (Figura 1 y 3). Concretamente, la anomalía promedio observada en ese periodo en Tenerife (Observatorio de Izaña) con el FTIR fue de -6.3% (0.0% anomalía CAMS) y de -1.6% (0.0% anomalía CAMS) en los ozonosondeos, mientras que en los ozonosondeos de Madrid (Barajas) fue de -6.3% (0.4% anomalía CAMS). Esta disminución de ozono, observada durante varios meses seguidos y de forma simultánea en un gran número de estaciones extra-tropicales del hemisferio norte, no se había dado en los últimos años, al menos en los años posteriores al 2000. Esta reducción en promedio del 7% en la troposfera libre contrasta con el aumento entre un 10% a 30% del ozono en superficie observado en áreas urbanas contaminadas, coincidiendo con la reducción de emisiones debida al COVID-19, que se ha recogido en varios trabajos realizados al respecto.
Más información: Lower atmosphere ozone dropped 7% during COVID-19 pandemic, study finds – AGU Newsroom
Referencias:
Leblanc, T., Brewer, M. A., Wang, P. S., Granados-Muñoz, M. J., Strawbridge, K. B., Travis, M., et al. (2018). Validation of the TOLNet lidars: the Southern California Ozone Observation Project (SCOOP). Atmospheric Measurement Techniques, 11, 6137–6162. https://doi.org/10.5194/amt-11-6137-2018.
Steinbrecht, W., Kubistin, D., Plass-Dülmer, C., Davies, J., Tarasick, D.W., Gathen, P.V., Deckelmann, H., Jepsen, N., Kivi, R., Lyall, N., Palm, M., Notholt, J., Kois, B., Oelsner, P., Allaart, M., Piters, A., Gill, M., Van Malderen, R., Delcloo, A.W., Sussmann, R., Mahieu, E., Servais, C., Romanens, G., Stübi, R., Ancellet, G., Godin-Beekmann, S., Yamanouchi, S., Strong, K., Johnson, B., Cullis, P., Petropavlovskikh, I., Hannigan, J., Hernandez, J.L., Rodriguez, A.D., Nakano, T., Chouza, F., Leblanc, T., Torres, C., Garcia, O., Röhling, A., Schneider, M., Blumenstock, T., Tully, M., Paton-Walsh, C., Jones, N., Querel, R., Strahan, S., Stauffer, R.M., Thompson, A.M., Inness, A., Engelen, R., Chang, K.L., Cooper, O.R., COVID-19 Crisis Reduces Free Tropospheric Ozone across the Northern Hemisphere, Geophysical Research Letters, 48, e2020GL091987, https://doi.org/10.1029/2020GL091987.
Vigouroux, C, Blumenstock, T, Coffey, M, Errera, Q, García, O, Jones, N.B, et al. (2015). Trends of ozone total columns and vertical distribution from FTIR observations at eight NDACC stations around the globe. Atmospheric Chemistry and Physics, 15, 2915–2933. https://doi.org/10.5194/acp-15-2915-2015.
Weber, J., Shin, Y. M., Staunton Sykes, J., Archer‐Nicholls, S., Abraham, N. L., & Archibald, A. T. (2020). Minimal climate impacts from short‐lived climate forcers following emission reductions related to the COVID‐19 pandemic. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL090326. https://doi.org/10.1029/2020GL090326.
WMO (2014), Quality assurance and quality control for ozonesonde measurements in GAW, World Meteorological Organization (WMO), Global Atmosphere Watch report series, Smit, H.G.J., and ASOPOS panel (eds.), GAW Report No. 201, 100 pp., Geneva. [Available online at https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=7167].
