CIENCIA HOY 45 - ARTICULO - Efectos de la Radiación Ultravioleta sobre los Ecosistemas Acuáticos

Volumen 8 - Nº45 - MARZO/ABRIL 1998

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Revista de Divulgación Científica y Tecnológica de la
Asociación Ciencia Hoy

ARTICULO

Efectos de la Radiación Ultravioleta sobre los
Ecosistemas Acuáticos

Horacio E. Zagarese y Walter R. Cravero
Virginia Villafañe y Walter Helbling

Lo que habitualmente conocemos por luz no es otra cosa que radiación electromagnética. La fuente más importante de esta radiación es el movimiento acelerado de los electrones que forman parte de los átomos. La luz visible constituye una pequeña porción de la amplia familia de ondas electromagnéticas (Figura 1); otras formas que también nos resultan familiares son, por ejemplo, las ondas de radio, las microondas, los rayos X y la radiación ultravioleta. Los diferentes nombres que les damos sólo son producto de una clasificación histórica, ya que solamente se diferencian en la longitud de onda y frecuencia (Figura II). Sin embargo, esta diferencia es crucial a la hora de establecer sus propiedades, en particular, las que tienen que ver con la emisión y absorción de la radiación electromagnética.

Figura I
El espectro electromagnético es una gama continua de ondas que abarca desde las ondas de radio hasta los rayos gamma.

Figura II
Podemos imaginar una onda como una oscilación en el tiempo y en el espacio. Si observamos el movimiento que realiza, por ejemplo, una marca en una cuerda que hacemos oscilar, veremos que esta sube y baja. Si representamos ese movimiento en un gráfico, obtendremos algo similar al gráfico de la derecha. La distancia entre las crestas consecutivas es lo que denominamos longitud de onda. Para cualquier onda, se cumple que a mayor frecuencia, menor longitud de onda.

Las ondas electromagnéticas transportan energía; cuando inciden sobre la materia, dicha energía se transmite a los átomos. Para comprender cómo estas absorben y emiten luz, la descripción ondulatoria de la luz no es suficiente. Una descripción en términos de partículas -o fotones- resulta mucho más apropiada en este caso. Los fotones son paquetes de energía electromagnética, absorbidos o emitidos por los átomos en cantidades discretas. La energía que lleva uno de estos fotones depende de la frecuencia de la radiación electromagnética en cuestión: a mayor frecuencia, mayor energía por fotón.

Podemos considerar que los electrones se encuentran orbitando los núcleos atómicos en órbitas fijas. Cuando un átomo absorbe un fotón, uno de sus electrones cambia de órbita (decimos que el átomo se excita); para que esto suceda la energía del fotón debe coincidir con la energía necesaria para que el electrón cambie de órbita. Luego de ser absorbido, el fotón puede ser re-emitido, el electrón involucrado vuelve a su órbita original y el átomo abandona el estado excitado. Sin embargo, si durante el tiempo en que el átomo está excitado, se produce una colisión con un átomo vecino, la energía puede transferirse como movimiento, y el átomo puede abandonar el estado excitado sin emitir. En este caso, el fotón se habrá absorbido definitivamente, cediendo su energía. Los fotones de la radiación ultravioleta poseen suficiente energía como para excitar a la mayoría de los átomos, y aún arrancarles electrones -ionizarIos- en ciertos casos. Radiaciones más energéticas, como los rayos X y gamma, provocan la expulsión de gran cantidad de electrones del medio que atraviesen. Es esta propiedad lo que las hace tan peligrosas para los seres vivos. Cuando un átomo re-emite la radiación electromagnética que ha incidido sobre él, habitualmente no lo hace en la misma dirección de la radiación incidente, sino que emite luz en múltiples direcciones. Este fenómeno se conoce como dispersión de Rayleigh. Las moléculas de oxígeno y nitrógeno, que constituyen la mayor parte de la atmósfera, dispersan de este modo la radiación solar. como la magnitud de la dispersión de Rayleigh es inversamente proporcional a la longitud de onda de la radiación, la dispersión de la radiación ultravioleta es mayor que la de la visible. Dentro de esta última, las componentes violeta y azul son las que más se dispersan, mientras que los colores rojos son los menos afectados por el fenómeno. Esa es la razón de la apariencia azul del cielo; lo que vemos no es otra cosa que luz re-emitida por los átomos de oxigeno y nitrógeno excitados a su vez por la luz directa del Sol. Por la misma razón, la radiación ultravioleta que llega a la superficie de la Tierra es, en una proporción importante, radiación difusa proveniente, no del disco solar en forma directa, sino del resto del cielo.

OZONO ESTRATOSFÉRICO Y TROPOSFÉRICO

La capa de la atmósfera más cercana a la superficie se llama tropósfera y tiene un espesor de unos 10km. En la tropósfera la temperatura disminuye con la altura hasta aproximadamente los -70ºC. Luego sigue otra capa de unos 10km dentro de la cual la temperatura se mantiene más o menos constante. Por ese motivo se la denomina tropopausa. Por encima de esta y hasta los 50km de altura se extiende la estratósfera. La circulación entre la tropósfera y la estratósfera está relativamente restringida por la tropopausa, que actúa como una barrera.

El ozono estratosférico se forma principalmente en la región ecuatorial de la estratósfera, desde donde luego se distribuye al resto de ella. Este proceso ocurre en forma natural.

Las principales fuentes del ozono troposférico son el ozono estratosférico transportado hacia abajo por movimientos atmosféricos que consiguen atravesar la tropopausa, tales como la convección tropical o frentes en latitudes medias, y la fotodisociación natural y antropogénica de dióxido de nitrógeno por radiación ultravioleta, que tiene lugar en la tropósfera. Muchas de estas reacciones involucran la fotooxidación de productos químicos, tales como el monóxido de carbono, metano y otros hidrocarburos Por este motivo, la producción de ozono troposférico aumenta en áreas densamente pobladas e industrializadas, donde le concentración de esos contaminantes es mayor.

FACTORES QUE AFECTAN LA INTENSIDAD DE LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA QUE LLEGA A
LA SUPERFICIE TERRESTRE

· La intensidad de radiación ultravioleta producida por el sol tiene leves variaciones, asociadas a su período de rotación aparente -27 días-, al ciclo de manchas solares -11 años-, y a la aparición de protuberancias y explosiones en la fotosfera. Estas fluctuaciones afectan sobre todo las componentes más energéticas del espectro, que no llegan a la superficie terrestre. Sin embargo, pueden afectar al ciclo de producción y destrucción de ozono en la alta atmósfera, y en consecuencia, la transmisión atmosférica de otras porciones del espectro ultravioleta.

· Otro factor que determina la cantidad de esta radiación que llega a nuestro planeta es la distancia entre la Tíerra y el Sol, la cual, debido a la forma elíptica de la órbita terrestre, oscila un 3,4% a lo largo del año. Como la atenuación de la radiación es cuadrática con esta distancia, el resultado es una variación de alrededor del 7% en la intensidad de radiación ultravioleta extraterrestre, y es máxima en diciembre, al comienzo del verano austral.

· Se denomina ángulo cenital al ángulo que forma la dirección aparente del sol con la vertical local. Este ángulo depende a su vez de la hora del día, la estación, y la latitud del sitio. La influencia de este factor tiene dos aspectos, uno de ellos puramente geométrico, ya que el flujo de radiación que atraviesa una superficie cualquiera varía con la orientación de la superficie. Si esta es paralela a la dirección de incidencia, el flujo de radiación es cero, mientras que si es perpendicular, resulta máximo. Además de este efecto, el aumento del ángulo cenital implica que la radiación tiene que atravesar una capa atmosférica más gruesa, y por consiguiente su atenuación será mayor.

· Dentro de los factores atmosféricos, el más conocido es la atenuación que produce la capa de ozono (véase "Radiación ultravioleta y ozono atmosférico", CIENCIA HOY 9: 40-48, 1990). Podemos dividir este fenómeno en dos fases; en la primera, una molécula de oxígeno absorbe radiación -hv representa un fotón- de longitud de onda (l) menor de 240nm y se disocia. Este oxígeno atómico, con ayuda de alguna otra molécula, forma ozono (O₃) :

0₂ + hv ( l < 240nm) -> 20
30 + X -> 0₃ + X

La segunda parte consiste en la disociación del ozono mediante la absorción de más radiación ultravioleta, pero esta vez de longitud de onda más larga:

0₃+ hv (l <= 320nm) -> O+O₂

La porción del espectro que comprende longitudes de onda entre 240 y 320nm no se absorbe uniformemente, por lo que algo de radiación ultravioleta de l >290nm llega a la superficie terrestre. Esta banda es justamente la más seriamente afectada por la disminución de las concentraciones de ozono estratosférico.

· La atenuación de la radiación solar no sólo se produce por absorción sino también por la denominada dispersión de Rayleigh. En el fenómeno de dispersión, el fotón involucrado no desaparece sino que es desviado en su dirección de propagación (véase "Luz: ondas y partículas"). La distribución angular de la radiación dispersada es simétrica, lo que implica que la probabilidad de que la luz sea dispersada en alguna dirección "hacia arriba" es equivalente a la de ser dispersada en alguna dirección "hacia abajo". Para la porción ultravioleta del espectro, la dispersión de Rayleigh resulta importante hasta el punto de que más del 40% de la irradiancia de 300nm que llega a la superficie terrestre no proviene directamente del disco solar -radiación directa- sino del resto del cielo -radiación difusa-.

· La fracción del cielo cubierto y el tipo de nubes afectan la intensidad y composición espectral de la radiación ultravioleta que llega a la superficie terrestre. Este efecto es debido principalmente a la reflexión de la radiación ultravioleta por las gotas de agua o cristales de hielo que forman la nube. No siempre el efecto neto es una disminución de la irradiancia; en ocasiones, la nubes cubren gran parte del cielo, pero no ocultan el disco solar. En estas circunstancias, la radiación solar reflejada por la superficie terrestre hacia arriba, es reflejada a su vez por las nubes nuevamente hacia la Tierra, por lo que así aumenta el nivel de irradiancia en la superficie.

· En áreas urbanas se producen concentraciones importantes de gases contaminantes a nivel de la atmósfera baja, entre ellos: ozono troposférico, dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno, que absorben radiación ultravioleta. El aumento de concentración de estos gases lleva a una disminución de la intensidad de radiación ultravioleta en las áreas urbanas, a pesar del debilitamiento de la capa de ozono estratosférico.