Buco nell'ozono

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Immagine del più grande buco nell'ozono sopra l'Antartico mai registrato (Settembre 2006). Foto: NASA

La riduzione dell'ozono e il buco nell'ozono sono due fenomeni connessi con la riduzione dell'ozono statosferico, intendendosi con essi rispettivamente:

  • il calo lento, relativamente stabile e globale dell'ozono stratosferico totale ovvero nell'ozonosfera dai primi anni 1980 in poi;
  • il molto più potente, ma intermittente fenomeno di riduzione dell'ozono delle regioni polari terrestri, quello a cui più propriamente ci si riferisce quando si parla di "buco dell'ozono", in realtà un assottigliamento marcato dello strato.

Lo strato di ozono è uno schermo fondamentale per l'intercettazione di radiazioni letali per la vita sulla terra, e la sua formazione avviene principalmente nella stratosfera alle più irradiate latitudini tropicali, mentre la circolazione globale tende poi ad accumularlo maggiormente alle alte latitudini e ai poli.

Il meccanismo di formazione del buco è diverso dall'assottigliamento alle medie latitudini dello strato di ozono, ma entrambi i fenomeni si basano sul fatto che gli alogeni, principalmente cloro e bromo, catalizzano reazioni ozono-distruttive. I composti responsabili appaiono essere principalmente dovuti all'azione umana.

I fenomeni stratosferici non vanno confusi col fatto che l'ozono è un energico ossidante e per gli esseri viventi è un gas altamente velenoso, quindi dannoso se presente a bassa quota, dove può formarsi essendo uno dei contaminanti gassosi dell'inquinamento atmosferico, un inquinante secondario formantesi in seguito, in genere, a combustioni, con caratteristiche sterilizzanti verso ogni forma di vita. Invece, come detto, in alta quota, è un gas essenziale al mantenimento della vita sulla Terra.

Sintesi del fenomeno[modifica | modifica sorgente]

Il buco dell'ozono è quindi una riduzione ciclica dello strato di ozono stratosferico (ozonosfera) che si verifica, principalmente in primavera,[1] sopra le regioni polari. La diminuzione può arrivare fino al 71% nell'Antartide e al 40% (2011) nella zona dell'Artide. La riduzione dell'ozono indica 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).

La riduzione si verifica principalmente per distruzione catalitica[2] da parte di composti alogenati di fonte antropica (determinabili e convertibili abitualmente in cloro equivalente[3]) che raggiungono la stratosfera[4], nonostante la densità maggiore dell'aria dei medesimi; per un meccanismo a catena[5], un atomo di cloro proveniente da dissociazione fotochimica ad opera dei raggi solari reagisce con la molecola di ozono prendendone un ossigeno, formando ClO e normale ossigeno molecolare; il primo composto reagisce con altro ozono per ridare un atomo di cloro elementare, propagando così la reazione. Non sono note rilevanti ed equivalenti fonti naturali[6] dei composti destruenti l'ozono, escludendo solo il cloruro di metile che pur essendo l'alocarburo singolarmente più abbondante, in parte di origine naturale, con il 15% ne costituisce solo una porzione ridotta[7].

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.[8]

Quindi la dose di radiazioni UV-B che raggiunge la superficie terrestre dipende inversamente dalla concentrazione di ozono in alta atmosfera. Le radiazioni UV-B possiedono un effetto sterilizzante per moltissime forme di vita, sono dannose per la pelle potendo innescare la formazione di melanomi e altri tumori, e per gli occhi, causare una parziale inibizione della fotosintesi delle piante, con conseguente rischio di abbassamento delle capacità di alimentarsi da parte di tutto l'ecosistema, diminuzione dei raccolti compresa, e distruggere frazioni importanti del fitoplancton che è alla base della catena alimentare marina.

Dinamiche del fenomeno[modifica | modifica sorgente]

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. Coesistono tre elementi principali:

  1. La formazione dell'ozono, fotochimica, a partire dall'azione solare sulla molecola del normale ossigeno diatomico
  2. La ridistribuzione globale dell'ozono, che tende a impoverirsi o arricchirsi, in realtà variando lo spessore dello strato, ad opera della circolazione globale.
  3. La distruzione dell'ozono ad opera di molecole reattive, principalmente alogenuri organici (Halocarbons).

La circolazione invernale dell’atmosfera ai poli è simile a quella di un grande vortice: a causa delle temperature bassissime si verifica la formazione di nubi stratosferiche polari e vortici, che circolano intorno ai poli e sono isolati dal resto dell’atmosfera. All'interno di queste nubi viene promossa la formazione di grandi quantità di cloro molecolare gassoso (Cl2) che origina dai Clorofluorocarburi (CFC).

Alla fine della primavera, il vortice polare si rompe e si verifica l’afflusso di aria con gran contenuto di ozono proveniente dalle zone tropicali, dove l'ozono si forma preferenzialmente a causa della radiazione solare più intensa. (Infatti l’ozono si forma dove i raggi solari sono più intensi.)

Al primo sole primaverile il cloro molecolare gassoso (Cl2) si dissocia per mezzo della radiazione ultravioletta in cloro monoatomico radicale (Cl-) che innesca la reazione di distruzione dell'ozono stratosferico sopra l'Antartide.

In tarda primavera le nubi polari stratosferiche scompaiono, i meccanismi di distruzione catalitica si arrestano e il "buco" si richiude.

Inoltre, il suolo polare si riscalda e di conseguenza riscalda l’aria sovrastante, che sale fino alla 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.

Infatti alla base dell’allargamento o restringimento annuale del buco dell’ozono contribuiscono i seguenti fattori:

  • 1) la quantità di composti organici alogenati come gli alogenuri alchilici e in particolare i cloro-fluoro carburi (CFC) che reagiscono con l’ozono. Questo fattore dipende dalla temperatura polare: se in inverno si formano vortici polari più freddi rispetto all'anno precedente, si generano maggiori nubi di cloro molecolare gassoso che, salendo nella stratosfera, e dissociandosi in primavera in seguito alla radiazione ultravioletta, provocano una maggiore distruzione di ozono e un allargamento del "buco".
  • 2) la quantità di radiazione solare che raggiunge a primavera la stratosfera polare (radiazione che scinde le molecole di cloro molecolare gassoso presente nelle nubi e le rende libere di reagire con l'ozono stratosferico). Maggiore sarà l'azione dei raggi cosmici, più intensa sarà la quantità di cloro monoatomico liberata dalle nubi e pronta a reagire e distruggere l'ozono.

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.

Altra relazione 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 cloridrico 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[9].

Il ciclo dell'ozono[modifica | modifica sorgente]

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.

Consumo dell'ozono[modifica | modifica sorgente]

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

Oppure (questo per il rigeneramento dell'ozono):

O2 + O -> O3 [10]

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.

Effetti sulla vita[modifica | modifica sorgente]

(EN)
« All life on Earth depends on the existence of a thin shield of a poisonous gas high in the atmosphere: the ozone layer.[11] »
(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 al 95% e totalmente le UV-C , ma lascia trapassare quasi totalmente i famosi raggi UVA (UV-A) , ovvero quelli che recano maggiormente danno all'epidermide. 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 nostra formazione della vitamina D. A dosi maggiori, però, questi raggi ultravioletti, hanno effetti deleteri su tutta la vita di microrganismi, animali, piante, addirittura le materie plastiche risentono dei loro effetti.[11] 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.[11]

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

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 del XX 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.[12][13][14][15][16] Il fluoro, e i fluoroderivati organici, al contrario, sono pressoché assenti da ogni processo di formazione per via biologica.

La scienza ha 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.[17]

Le decisioni in sede internazionale[modifica | modifica sorgente]

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.[18]

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 antincendio 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 fumigante in agricoltura.

Va peraltro osservato come anche l'idrogeno sia fortemente sospettato di interagire con l'ozono nella stratosfera.[19] 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).

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "ozone hole"
  2. ^ Part III. The Science of the Ozone Hole. URL consultato l'11 luglio 2012.
  3. ^ Newman, P.A., Daniel, J.S., Waugh, D.W., Nash, E.R., A new formulation of equivalent effective stratospheric chlorine (EESC) in Atmos. Chem. Phys., vol. 7, nº 17, 2007, pp. 4537–52, DOI:10.5194/acp-7-4537-2007.
  4. ^ Andino, Jean M., Chlorofluorocarbons (CFCs) are heavier than air, so how do scientists suppose that these chemicals reach the altitude of the ozone layer to adversely affect it?, Sci. Am., 21 ottobre 1999.
  5. ^ Newman, Paul A., Chapter 5: Stratospheric Photochemistry Section 4.2.8 ClX catalytic reactions in Todaro, Richard M. (a cura di), Stratospheric ozone: an electronic textbook, NASA Goddard Space Flight Center Atmospheric Chemistry and Dynamics Branch.
  6. ^ chlorofluorocarbons, Encyclopedia.com. URL consultato l'11 luglio 2012.
  7. ^ Y. Yokouchi, Y. Noijiri, L. A. Barrie, D. Toom-Sauntry, T. Machida, Y. Inuzuka, H. Akimoto, HJ Li e Y Fujinuma, A strong source of methyl chloride to the atmosphere from tropical coastal land in Nature, vol. 403, nº 6767, 20 gennaio 2000, pp. 295–8, Bibcode:2000Natur.403..295Y, DOI:10.1038/35002049, PMID 10659845.
  8. ^ (EN) UNEP, Questions and Answers about the Environmental Effects of the Ozone Layer Depletion and Climate Change: 2010 Update in Environmental Effects Assessment Panel: 2010.
  9. ^ Arctic “ozone hole” in a cold volcanic stratosphere.
  10. ^ L'azoto si rigenera, ma a causa dei CfC la sua concentrazione si è abbassata poiché l'ossigeno bi-atomico e l'atomo di ossigeno non riescono più a combinarsi)
  11. ^ a b c d e f g UNEP - Ozone Secretariat, Action on Ozone, ISBN 92-807-1884-3. URL consultato il 7 febbraio 2012.
  12. ^ Scarratt MG, Moore RM (1996) Production of Methyl Chloride and Methyl Bromide in Laboratory Cultures of Marine Phytoplankton. Mar Chem 54: 263
  13. ^ Scarratt MG, Moore RM (1998) Production of Methyl Bromide and Methyl Chloride in Laboratory Cultures of Marine Phytoplankton II. Mar Chem 59: 311
  14. ^ Laturnus F (2001) Marine Macroalgae in Polar Regions as Natural Sources for Volatile Organohalogens. Environ Sci Pollut Res 8: 103
  15. ^ 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
  16. ^ Ni X, Hager LP (1999) Expression of Batis maritima Methyl Chloride Transferase in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA 96: 3611
  17. ^ (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. (EN) UNEP, Questions and Answers about the Environmental Effects of the Ozone Layer Depletion and Climate Change: 2010 Update in Environmental Effects Assessment Panel: 2010.
  18. ^ Si può seguire la vicenda nelle pagine del Segretariato per l'Ozono dell'UNEP.
  19. ^ L'idrogeno potrebbe allargare il buco nell'ozono

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]