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Buco nell'ozono

modify Updated 19-05-2012, 11:13
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Immagine del più grande buco nell'ozono sopra l'Antartico mai registrato (Settembre 2006). Foto: NASA

Il buco nell'ozono è una riduzione ciclica dello strato di ozono stratosferico (ozonosfera) che si verifica in primavera sopra le regioni polari. La diminuzione può arrivare fino al 70% nell'Antartide e al 40% (2011) nella zona dell'Artide.

Per estensione il termine può venire utilizzato per indicare il generico assottigliamento dello strato di ozono della stratosfera che si è cominciato a studiare e rivelare a partire dalla fine degli anni settanta (stimata intorno al 5% dal 1979 al 1990).

Lo strato di ozono (O3) funge da filtro per le radiazioni ultraviolette: infatti assorbe del tutto la loro componente UV-C, e per il 90% la UV-B. Gli UV-A non risentono molto dell'atmosfera, ma d'altronde sono poco attivi biologicamente.[1] Quindi la dose di radiazioni UV-B che raggiunge la superficie terrestre dipende dalla concentrazione di ozono in atmosfera. Le radiazioni UV-B possono essere dannose per la pelle (melanomi e altri tumori) e per gli occhi, causare una parziale inibizione della fotosintesi delle piante (con conseguente rischio di diminuzione dei raccolti) e distruggere frazioni importanti del fitoplancton che è alla base della catena alimentare marina.

Indice

[modifica] Dinamiche del fenomeno

Vortice polare che si sviluppa nelle stagioni invernali sopra le regioni polari.

Con gli studi e i dati raccolti negli anni 2000 si sono svelate le dinamiche naturali del fenomeno del buco dell’ozono.

Si è scoperto che la circolazione invernale dell’atmosfera ai poli è simile a quella di un grande vortice: durante molti mesi dell’anno, esiste una massa d’aria fredda, che è isolata dal resto dell’atmosfera e che circola intorno ai poli.

Alla fine della primavera, il vortice polare si rompe e ciò determina l’afflusso di aria con gran contenuto di ozono proveniente dalle zone tropicali. L’aria proveniente dalle zone tropicali è più ricca di ozono perché l’ozono si forma maggiormente nelle aree sopra le zone più calde dove la radiazione solare è più intensa: l’ozono viene infatti prodotto dalle reazioni chimiche provocate dai raggi del Sole a contatto con la stratosfera e si forma maggiormente dove e quando i raggi solari sono più intensi. Lo spostamento verso i poli avviene spontaneamente perché l’aria della stratosfera migra dalle grandi altezze sopra i tropici, dove si forma abbondante ozono, verso altezze minori delle regioni sopra i poli. Quando al polo torna il sole, il suolo riscaldandosi, riscalda l’aria sovrastante povera di ozono che, poiché è meno densa a causa del riscaldamento, sale fino a raggiungere la stratosfera. Qui questa massa d’aria diluisce lo strato ricco di ozono presente in quel luogo spostandolo anche lateralmente. Fenomeni come questo dove correnti d’aria, causate da variazioni termiche, salgono e scendono sono normali e accadono a tutte le latitudini. I movimenti atmosferici che spostano masse d’aria da una zona ad un’altra del globo terrestre non distruggono l’ozono, ma in maniera più semplice lo ridistribuiscono.

Oggi è più chiaro anche il motivo, perché il buco dell’ozono è più intenso al Polo Sud rispetto al Polo Nord e perché subisce anche forti variazioni da un anno all’altro. Infatti l’assottigliamento dello strato di ozono polare è fortemente dipendente dall’intensità e dalle temperature gelide del vortice polare che si sviluppa nell’inverno prima del fenomeno: al Polo Sud dove il vortice è più freddo e più intenso (perché meno disturbato dalle correnti oceaniche o dalla presenza di terre vicine) si hanno assottigliamenti maggiori rispetto al Polo Nord, dove al contrario il vortice meno gelido e meno intenso sviluppa al suo interno meno nubi contenenti cloro.

Alla base dell’allargamento o restringimento annuale del buco dell’ozono ci sono 2 fattori principali:

  • 1) la quantità di cloro che reagisce con l’ozono che dipende dalle temperature più o meno gelide che di anno in anno caratterizzano il vortice polare: quando nella stagione invernale si hanno vortici polari più gelidi e intensi rispetto all'anno precedente, si generano maggiori nubi di cloro che salendo nella stratosfera a primavera, provocheranno maggior distruzione di ozono provocando un allargamento del buco dell’ozono .
  • 2) la quantità di radiazione solare, legata al ciclo undecennale dei raggi cosmici, che raggiunge a primavera la stratosfera polare (radiazione che di fatto scinde le molecole di cloro presenti nelle nubi e le rende libere di reagire con l'ozono stratosferico: maggiore sarà l'azione dei raggi cosmici maggiore sarà la quantità di cloro liberata dalle nubi e pronta a reagire e distruggere l'ozono).

Altra relazione importante è stata trovata tra alcune eruzioni vulcaniche e il successivo aumento nel buco dell'ozono: le eruzioni vulcaniche emettono, tra le altre cose, diverse particelle che possono interagire con l’ozono, tra cui acido cloridico, aerosol e cloro. Queste sono in grado, quando raggiungono lo strato di ozono, di ridurlo in maniera significativa. Tale correlazione tra vulcani e ozono è stata osservata e misurata dopo alcune grandi eruzioni vulcaniche[2].

[modifica] Il ciclo dell'ozono

Il meccanismo di schermo è semplice: quando un raggio ultravioletto colpisce una molecola di ozono, questa lo assorbe scindendosi in O2 + O. L'ossigeno monoatomico formato reagisce con una molecola di O2 per formare ancora ozono, e il ciclo quindi ricomincia.

[modifica] Consumo dell'ozono

In seguito le radiazioni solari dissociano una molecola di ozono in una di ossigeno biatomico ed una in ossigeno monoatomico:

O3 + radiaz. UV -> O2 + O° (filtro UV)

Durante la notte l'ossigeno monoatomico, essendo altamente reattivo, si combina con l'ozono per formare due molecole di ossigeno biatomico:

O3 + O° -> 2 O2

L'equilibrio di queste reazioni fotochimiche è facilmente perturbato da molecole che possono interferire come i composti clorurati, i bromurati e gli ossidi di azoto prodotti dall'attività antropica.
In particolare i clorofluorocarburi (o CFC, utilizzati nei circuiti di refrigerazione dei frigoriferi e negli impianti di condizionamento) sono considerati fra i principali responsabili del buco nell'ozono.

L'ozono in particolare può essere distrutto cataliticamente da un certo numero di radicali liberi, i più importanti dei quali sono il radicale ossidrile (OH ·), il radicale ossido nitrico (NO ·), lo ione cloro atomico (Cl· ) e lo ione atomico bromo (Br ·). Verifiche ulteriori hanno dimostrato che gli alogeni e i loro ioni atomici fluoro (F ·) e iodio (I ·) possono partecipare ad analoghi cicli catalitici, nonostante una chimica atmosferica che porta gli atomi di fluoro a reagire rapidamente formando HF, mentre le molecole organiche che contengono iodio reagiscono in bassa atmosfera a formare composti meno volatili e meno atti a raggiungere gli alti strati.

[modifica] Effetti sulla vita

(EN)
« All life on Earth depends on the existence of a thin shield of a poisonous gas high in the atmosphere: the ozone layer.[3] »
 (IT)
« Tutta la vita sulla Terra dipende dall'esistenza di un sottile schermo di un gas velenoso, in alto nell'atmosfera: lo strato di ozono. »
(Ozone Secretariat, UNEP, "Action on Ozone")


Lo strato di ozono assorbe quasi tutte le dannose radiazioni ultraviolette, in particolare quelle chiamate UV-B. Quindi, se lo strato si riduce, aumenta la quantità di radiazioni che raggiunge la superficie terrestre. Queste radiazioni, in quantità minime non sono dannose, anzi sono utili: per esempio, sono importanti nella formazione della vitamina D negli umani. A dosi maggiori, però, questi raggi ultravioletti hanno effetti deleteri su tutta la vita: microrganismi, animali, piante, addirittura le materie plastiche risentono dei loro effetti.[3] In particolare, negli uomini esposizioni prolungate a radiazioni ultraviolette sono associate con:

Anche gli animali sono soggetti a danni simili: carcinomi associati all'esposizione solare ambientale sono stati riscontrati in cavalli, gatti, cani, capre, pecore e nel bestiame in generale.[3]

[modifica] Dalla scoperta del buco dell'ozono ad oggi

Incremento del buco nell'ozonosfera dal 1979 al 2004.

La scoperta che la Terra possiede uno strato di ozono nelle parti più “alte” dell’atmosfera (stratosfera) è abbastanza recente e risale alla metà dello scorso secolo. La scoperta che tale strato presenta un assottigliamento marcato sopra le aree polari è ancora più recente e avviene grazie alle prime misurazioni effettuate nel 1974 da Sherry Rowland.

Dal 1982 si è cominciato a studiare e misurare il fenomeno fino a scoprire nel 1985 che l’assottigliamento dello strato di ozono sopra le regioni polari aumentava di anno in anno. Sul finire del 1985 in seguito alla scoperta del fenomeno nella regione antartica (fenomeno rinominato comunemente “buco dell’ozono”), i governi mondiali riconobbero il bisogno di adottare misure per ridurre la produzione e il consumo dei gas Clorofluorocarburi (CFC) ritenuti responsabili dell’aumentare dell’assottigliamento dell’ozono: infatti ai naturali meccanismi di decomposizione dell’ozono si sommavano altri meccanismi causati dalle attività umane. In particolare i responsabili dell’assottigliamento dello strato di ozono sono i gas CFC emessi quotidianamente dalle attività umane nei paesi più industrializzati: tali gas (contenuti nei circuiti frigoriferi, nelle bombolette spray,…) reagendo chimicamente con l’ozono stratosferico provocano l’assottigliamento dello strato di ozono e l’allargamento del “buco” sopra le regioni polari.

Nel 1987 venne firmato il protocollo di Montreal, che imponeva la progressiva riduzione della produzione di CFC. Nel 1988 il fenomeno del buco dell'ozono cominciò ad apparire anche sopra il Polo Nord. Nel 1990 più di 90 paesi decisero di sospendere la produzione di gas CFC. Nel 2000 la produzione di CFC era scesa dal suo massimo di un milione di tonnellate (raggiunto nel 1988) a meno di 100.000 tonnellate per anno, grazie anche all'introduzione dei meno dannosi idroclorofluorocarburi (HCFC); per alcune applicazioni (come i condizionatori per automobili), si è passati anche all'uso di idrofluorocarburi (HFC) che, non contenendo atomi di bromo o di cloro, non sono dannosi per lo strato di ozono.

I CFC, comunque, non sono l’unica fonte di cloro per l’atmosfera: è noto che nella stratosfera i clorocarburi sono sempre esistiti in conseguenza della lenta migrazione del clorometano prodotto dalla superficie della terra e negli oceani sulla base di svariati meccanismi biologici e fotochimici, verificati in vivo e in vitro.[4][5][6][7][8] Il fluoro, e i fluoroderivati organici, al contrario, sono pressoché assenti da ogni processo di formazione per via biologica.

Alcuni scienziati sostengono che il buco dell’ozono possa essere un fenomeno del tutto naturale, legato a particolari condizioni ambientali, e in misura limitata pare esserlo. La scienza ufficiale ha variamente dimostrato che il buco dell'ozono, nella misura in cui si osserva è causato in gran parte da composti chimici prodotti dall'uomo o da attività dipendenti comunque dal comportamento umano.[9]

[modifica] Le decisioni in sede internazionale

Le ricerche sui danni provocati dai raggi ultravioletti non schermati dall'ozono sono recenti e non hanno ancora dato risultati definitivi. È comunque un dato di fatto che le radiazioni ultraviolette, soprattutto quelle a più alta energia, abbiano effetti di mutazione genetica e siano quindi causa di tumori.

Si avevano da un lato grandi aziende dei paesi occidentali (tra esse la DuPont) che esitavano a rinunciare agli investimenti dedicati alla produzione di CFC, dall'altro paesi ad economia pianificata che denunciavano difficoltà di altro tipo: l'URSS, ad esempio, esitava sostenendo che il piano quinquennale in corso non consentiva variazioni repentine, la Cina aveva in corso la diffusione di frigoriferi in milioni di abitazioni.

Gli Stati Uniti e l'Unione Europea dichiararono nel 1989 che avrebbero cessato la produzione dei cinque più comuni CFC entro il 2000, e la decisione venne poi condivisa a Londra nel 1990 da altri 90 paesi, grazie anche alla costituzione di un fondo per sostenere la conversione dai CFC ad altri prodotti.

Ulteriori misurazioni di satelliti mostrarono però l'anno dopo che la distruzione dell'ozono procedeva più velocemente di quanto si fosse stimato ed altri paesi si impegnarono a cessare la produzione di CFC entro il 2010.

Bisogna comunque tenere presente che il cloro contenuto nei CFC (che è quello che provoca la distruzione delle molecole di ozono) è altamente stabile: si stima infatti che una molecola di cloro possa trasformare in ossigeno 40 000 molecole di ozono.

Il meccanismo della reazione è il seguente:

CFC → Cl° + FC
Cl° + O3 → ClO + O2
ClO + O3 → ClO2 + O2
ClO2 + raggi UV → Cl° + O2

Il radicale monoatomico cloro si rigenera alla fine del ciclo, quindi può ripetere la sequenza di reazioni e reagire con altre molecole di ozono prima di disperdersi.

Negli ultimi anni si sono avuti sia ulteriori, più rigorosi, accordi internazionali (Copenaghen 1992, Vienna 1995, Montreal 1997, ecc.), sia periodiche verifiche scientifiche.[10]

Nel 2000 la produzione di CFC è scesa dal suo massimo di un milione di tonnellate (raggiunto nel 1988) a meno di 100.000 tonnellate per anno, grazie anche all'introduzione dei meno dannosi idroclorofluorocarburi (HCFC); per alcune applicazioni (come i condizionatori per automobili), si è passati anche all'uso di idrofluorocarburi (HFC) che, non contenendo atomi di bromo o di cloro, non sono dannosi per lo strato di ozono (ma che sono comunque dei potenti gas serra).

Ora la produzione di CFC è nulla e le emissioni sono quindi quasi nulle (a parte i vecchi impianti frigoriferi ed antiincendio ancora in esercizio). Il "buco nell'ozono" sta però continuando ad aumentare data la stabilità della molecola di cloro e probabilmente a causa del massiccio uso del bromuro di metile come pesticida "fumigante" in agricoltura.

Va peraltro osservato come anche l'idrogeno sia fortemente sospettato di interagire con l'ozono nella stratosfera.[11] L'idrogeno è uno dei gas meno densi, assieme all'elio, e raggiunge quindi più rapidamente dei CFC e degli HCFC gli strati più alti dell'atmosfera. Attualmente, la produzione mondiale di idrogeno è pari a 50 milioni di tonnellate all'anno e qualora l'idrogeno venisse proposto come vettore energetico e combustibile per il futuro (idricità, hydricity) la sua produzione dovrebbe salire di almeno un fattore 100 (5 miliardi di tonnellate all'anno); secondo varie stime dall'1% al 7-8% dell'idrogeno prodotto viene disperso nell'ambiente in conseguenza di perdite varie (trasporto, stoccaggio, utilizzo).

[modifica] Note

  1. ^ UNEP. Questions and Answers about the Environmental Effects of the Ozone Layer Depletion and Climate Change: 2010 Update. Environmental Effects Assessment Panel: 2010  (in inglese).
  2. ^ Arctic “ozone hole” in a cold volcanic stratosphere
  3. ^ a b c d e f g UNEP - Ozone Secretariat. Action on Ozone. ISBN 92-807-1884-3. URL consultato il 7 febbraio 2012.
  4. ^ Scarratt MG, Moore RM (1996) Production of Methyl Chloride and Methyl Bromide in Laboratory Cultures of Marine Phytoplankton. Mar Chem 54: 263
  5. ^ Scarratt MG, Moore RM (1998) Production of Methyl Bromide and Methyl Chloride in Laboratory Cultures of Marine Phytoplankton II. Mar Chem 59: 311
  6. ^ Laturnus F (2001) Marine Macroalgae in Polar Regions as Natural Sources for Volatile Organohalogens. Environ Sci Pollut Res 8: 103
  7. ^ Ni X, Hager LP (1998) cDNA Cloning of Batis maritima Methyl Chloride Transferase and Purification of the Enzyme. Proc Natl Acad Sci USA 95: 12866
  8. ^ Ni X, Hager LP (1999) Expression of Batis maritima Methyl Chloride Transferase in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA 96: 3611
  9. ^ (EN) In the case of the ozone layer, the depletion of the ozone over Antarctica cannot be explained by natural cycles alone but is caused by the increase of man-made chemicals in the stratosphere. The relationship between these chemicals (e.g. chlorofluorocarbons, also known as CFCs) and ozone depletion has been shown by experiments in laboratories, numerical modelling studies and by direct measurements in the atmosphere. UNEP. Questions and Answers about the Environmental Effects of the Ozone Layer Depletion and Climate Change: 2010 Update. Environmental Effects Assessment Panel: 2010  (in inglese).
  10. ^ Si può seguire la vicenda nelle pagine del Segretariato per l'Ozono dell'UNEP.
  11. ^ L'idrogeno potrebbe allargare il buco nell'ozono

[modifica] Voci correlate

[modifica] Collegamenti esterni