A camada de ozônio é uma região da estratosfera terrestre que absorve a maior parte da radiação ultravioleta do Sol. Contém alta concentração de ozônio (O3) em relação a outras partes da atmosfera, embora ainda pequena em relação a outros gases na estratosfera. A camada de ozônio contém menos de 10 partes por milhão de ozônio, enquanto a concentração média de ozônio na atmosfera terrestre como um todo é de cerca de 0,3 partes por milhão. A camada de ozônio é encontrada principalmente na porção inferior da estratosfera, de aproximadamente 15 a 35 quilômetros acima da Terra, embora sua espessura varie sazonal e geograficamente.
A camada de ozônio foi descoberta em 1913 pelos físicos franceses Charles Fabry e Henri Buisson. As medições do sol mostraram que a radiação enviada da sua superfície e que atinge o solo na Terra é geralmente consistente com o espectro de um corpo negro com uma temperatura na faixa de 5.500-6.000 K (5.227 a 5.727 °C), exceto que não havia radiação abaixo de um comprimento de onda de cerca de 310 nm na extremidade ultravioleta do espectro. Deduziu-se que a radiação em falta estava a ser absorvida por algo na atmosfera.
Eventualmente, o espectro da radiação em falta foi comparado com apenas um produto químico conhecido, o ozônio. Suas propriedades foram exploradas em detalhes pelo meteorologista britânico G. M. B. Dobson, que desenvolveu um espectrofotômetro simples (o Dobsonmeter) que podia ser usado para medir o ozônio estratosférico a partir do solo. Entre 1928 e 1958, Dobson estabeleceu uma rede mundial de estações de monitorização do ozônio, que continuam a funcionar até hoje. A “unidade Dobson”, uma medida conveniente da quantidade de ozônio sobre o solo, é nomeada em sua homenagem.
A camada de ozônio absorve de 97 a 99 por cento da luz ultravioleta de freqüência média do Sol (de cerca de 200 nm a 315 nm de comprimento de onda), que de outra forma poderia danificar as formas de vida expostas perto da superfície.
Em 1976, pesquisas atmosféricas revelaram que a camada de ozônio estava sendo esgotada por produtos químicos liberados pela indústria, principalmente clorofluorcarbonos (CFCs). As preocupações de que o aumento da radiação UV devido ao empobrecimento da camada de ozônio ameaçava a vida na Terra, incluindo o aumento do cancro da pele nos seres humanos e outros problemas ecológicos, levaram à proibição dos produtos químicos, e as últimas provas são de que o empobrecimento da camada de ozônio abrandou ou parou. A Assembleia Geral das Nações Unidas designou o dia 16 de setembro como o Dia Internacional para a Preservação da Camada de Ozônio.
Vênus também tem uma fina camada de ozônio a uma altitude de 100 quilômetros da superfície do planeta.
Os mecanismos fotoquímicos que dão origem à camada de ozônio foram descobertos pelo físico britânico Sydney Chapman em 1930. O ozônio na estratosfera terrestre é criado pela luz ultravioleta que atinge moléculas comuns de oxigênio contendo dois átomos de oxigênio (O2), dividindo-as em átomos individuais de oxigênio (oxigênio atômico); o oxigênio atômico então se combina com O2 ininterrupto para criar ozônio, O3. A molécula de ozônio é instável (embora, na estratosfera, de vida longa) e quando a luz ultravioleta atinge o ozônio, ele se divide em uma molécula de O2 e um átomo individual de oxigênio, um processo contínuo chamado ciclo ozônio-oxigênio.
Cerca de 90% do ozônio na atmosfera está contido na estratosfera. As concentrações de ozônio são maiores entre cerca de 20 e 40 quilômetros (66.000 e 131.000 pés), onde variam de cerca de 2 a 8 partes por milhão. Se todo o ozônio fosse comprimido à pressão do ar ao nível do mar, teria apenas 3 milímetros de espessura (1⁄8 polegadas).
Embora a concentração de ozônio na camada de ozônio seja muito pequena, é de importância vital para a vida porque absorve a radiação ultravioleta (UV) biologicamente nociva proveniente do sol. A radiação UV extremamente curta ou de vácuo (10-100 nm) é filtrada por nitrogênio. A radiação UV capaz de penetrar o nitrogênio é dividida em três categorias, com base no seu comprimento de onda; estas são referidas como UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm), e UV-C (280-100 nm).
O UV-C, que é muito prejudicial para todos os seres vivos, é totalmente rastreado por uma combinação de oxigênio (< 200 nm) e ozônio (> cerca de 200 nm) por cerca de 35 quilômetros (115.000 pés) de altitude. A radiação UV-B pode ser prejudicial para a pele e é a principal causa de queimaduras solares; a exposição excessiva também pode causar cataratas, supressão do sistema imunológico e danos genéticos, resultando em problemas como o cancro de pele. A camada de ozônio (que absorve de cerca de 200 nm a 310 nm com uma absorção máxima de cerca de 250 nm) é muito eficaz no rastreio da radiação UV-B; para radiação com um comprimento de onda de 290 nm, a intensidade no topo da atmosfera é 350 milhões de vezes mais forte do que na superfície da Terra. No entanto, alguns UV-B, particularmente nos seus maiores comprimentos de onda, atingem a superfície e são importantes para a produção de vitamina D pela pele.
O ozônio é transparente para a maioria dos UV-A, portanto a maior parte desta radiação UV de maior comprimento de onda atinge a superfície, e constitui a maior parte dos UV que chegam à Terra. Este tipo de radiação UV é significativamente menos prejudicial ao DNA, embora ainda possa causar danos físicos, envelhecimento prematuro da pele, danos genéticos indiretos e câncer de pele.
A espessura da camada de ozônio varia a nível mundial e é geralmente mais fina perto do equador e mais espessa perto dos pólos. A espessura refere-se à quantidade de ozônio existente numa coluna numa determinada área e varia de estação para estação. As razões para estas variações são devidas aos padrões de circulação atmosférica e à intensidade solar.
A maioria do ozônio é produzida sobre os trópicos e é transportada para os pólos por padrões de vento estratosféricos. No hemisfério norte estes padrões, conhecidos como circulação Brewer-Dobson, tornam a camada de ozônio mais espessa na Primavera e mais fina no Outono. Quando o ozônio é produzido pela radiação solar UV nos trópicos, ele é feito pela circulação levantando o ar pobre em ozônio para fora da troposfera e para a estratosfera, onde o sol fotodecompôe as moléculas de oxigênio e as transforma em ozônio. Então, o ar rico em ozônio é transportado para latitudes mais altas e cai em camadas mais baixas da atmosfera.
Pesquisas revelaram que os níveis de ozônio nos Estados Unidos são mais altos nos meses de primavera de abril e maio e mais baixos em outubro. Enquanto a quantidade total de ozônio aumenta passando dos trópicos para latitudes mais elevadas, as concentrações são maiores nas altas latitudes do norte do que nas altas latitudes do sul, devido ao fenômeno do buraco de ozônio. As maiores quantidades de ozônio são encontradas no Árctico durante os meses de Primavera de Março e Abril, mas a Antártida tem as suas menores quantidades de ozônio durante os meses de Verão de Setembro e Outubro.
A camada de ozônio pode ser esgotada por catalisadores de radicais livres, incluindo óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N2O), hidroxila (OH), cloro atômico (Cl), e bromo atômico (Br). Embora existam fontes naturais para todas estas espécies, as concentrações de cloro e bromo aumentaram acentuadamente nas últimas décadas devido à libertação de grandes quantidades de compostos organo-halogenados artificiais, especialmente clorofluorocarbonos (CFCs) e bromofluorocarbonos. Estes compostos altamente estáveis são capazes de sobreviver à ascensão à estratosfera, onde os radicais Cl e Br são libertados pela acção da luz ultravioleta. Cada radical é então livre para iniciar e catalisar uma reação em cadeia capaz de quebrar mais de 100.000 moléculas de ozônio. Em 2009, o óxido nitroso era a maior substância destruidora da camada de ozônio (ODS) emitida através de atividades humanas.
Os níveis de ozônio atmosférico medidos por satélite mostram claras variações sazonais e parecem verificar o seu declínio ao longo do tempo. A decomposição do ozônio na estratosfera resulta numa absorção reduzida da radiação ultravioleta. Consequentemente, a radiação ultravioleta não absorvida e perigosa é capaz de alcançar a superfície da Terra com uma intensidade mais elevada. Os níveis de ozônio caíram em média cerca de 4% desde o final da década de 1970. Para aproximadamente 5% da superfície da Terra, em torno dos pólos norte e sul, foram observados declínios sazonais muito maiores, e são descritos como “buracos de ozônio”. A descoberta do esgotamento anual do ozônio acima da Antártida foi anunciada pela primeira vez por Joe Farman, Brian Gardiner e Jonathan Shanklin, em um artigo publicado na revista Nature em 16 de maio de 1985.
Para apoiar tentativas bem sucedidas de regulamentação, o caso do ozono foi comunicado a leigos “com metáforas fáceis de entender derivadas da cultura popular” e relacionadas com “riscos imediatos com relevância diária”. As metáforas específicas usadas na discussão (escudo de ozono, buraco de ozono) revelaram-se bastante úteis e, em comparação com as alterações climáticas globais, o caso do ozono foi muito mais visto como uma “questão quente” e um risco iminente. As pessoas leigas foram cautelosas quanto ao esgotamento da camada de ozono e aos riscos de cancro da pele.
Em 1978, os Estados Unidos, o Canadá e a Noruega decretaram a proibição de sprays aerossóis contendo CFC que danificam a camada de ozono. A Comunidade Européia rejeitou uma proposta análoga para fazer o mesmo. Nos Estados Unidos, os clorofluorcarbonos continuaram a ser utilizados em outras aplicações, como refrigeração e limpeza industrial, até após a descoberta do buraco de ozônio na Antártida, em 1985. Após a negociação de um tratado internacional (o Protocolo de Montreal), a produção de CFC foi limitada aos níveis de 1986, com compromissos de reduções a longo prazo.
Isto permitiu uma introdução faseada de dez anos para os países em desenvolvimento (identificados no artigo 5 do protocolo). Desde então, o tratado foi emendado para proibir a produção do CFC após 1995 nos países desenvolvidos e, posteriormente, nos países em desenvolvimento. Hoje, todos os 197 países do mundo já assinaram o tratado. A partir de 1º de janeiro de 1996, apenas os CFC reciclados e estocados estavam disponíveis para uso em países desenvolvidos como os EUA. Essa eliminação da produção foi possível devido aos esforços para garantir que houvesse produtos químicos e tecnologias substitutos para todos os usos de ODS.
Em 2 de agosto de 2003, os cientistas anunciaram que o esgotamento global da camada de ozônio pode estar diminuindo devido à regulamentação internacional das substâncias que empobrecem a camada de ozônio. Em um estudo organizado pela União Geofísica Americana, três satélites e três estações terrestres confirmaram que a taxa de empobrecimento da camada de ozônio da atmosfera superior diminuiu significativamente durante a década anterior. É de se esperar que algumas falhas continuem devido às ODSs utilizadas pelas nações que não as proibiram, e devido aos gases que já estão na estratosfera. Algumas ODS, incluindo os CFC, têm uma vida útil atmosférica muito longa, variando de 50 a mais de 100 anos. Estima-se que a camada de ozônio se recuperará aos níveis de 1980, em meados do século 21. Uma tendência gradual para a “cura” foi relatada em 2016.
Compostos contendo ligações C-H (como hidrofluorocarboneto, ou HCF) foram concebidos para substituir os CFC em certas aplicações. Estes compostos de substituição são mais reativos e têm menos probabilidades de sobreviver o tempo suficiente na atmosfera para atingir a estratosfera, onde poderiam afetar a camada de ozono. Embora sejam menos nocivos que os CFC, os HCFC podem ter um impacto negativo sobre a camada de ozônio, por isso também estão sendo eliminados gradualmente. Estes, por sua vez, estão sendo substituídos por hidrofluorcarboneto (HFC) e outros compostos que não destroem de forma alguma o ozônio estratosférico.
Os efeitos residuais da acumulação de CFC na atmosfera levam a um gradiente de concentração entre a atmosfera e o oceano. Este composto organo-halogenado é capaz de se dissolver nas águas superficiais do oceano e de agir como um traçador dependente do tempo. Este rastreador ajuda os cientistas a estudar a circulação oceânica, traçando vias biológicas, físicas e químicas.
Como o ozônio na atmosfera impede que a radiação ultravioleta mais energética atinja a superfície da Terra, dados astronômicos nestes comprimentos de onda têm que ser coletados de satélites orbitando acima da atmosfera e da camada de ozônio. A maior parte da luz das estrelas quentes jovens está no ultravioleta e por isso o estudo destes comprimentos de onda é importante para estudar as origens das galáxias. O Galaxy Evolution Explorer, GALEX, é um telescópio espacial ultravioleta em órbita lançado em 28 de Abril de 2003, que funcionou até ao início de 2012.
