scienze della terra

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Scienze della terra
IL BUCO NELL'OZONO

Nel corso del 1985 gli studiosi di fisica dell’atmosfera del British Antarctic Survey pubblicarono una scoperta del tutto inattesa: la quantità primaverile di ozono nell’atmosfera al di sopra della Halley Bay, in Antartid , era diminuita fra il 1977 e il 1984 di più del 40 per cento. Altri gruppi confermarono ben presto quel primo rapporto, dimostrando che la regione in cui si era verificata tale diminuzione di ozono era in realtà più vasta dell’intero continente e si estendeva grosso modo da 12 a 24 chilometri in altezza , abbracciando gran parte della media e l’intera bassa stratosfera. In corrispondenza del Polo Sud c’era, in sostanza un “ buco “ nello strato di ozono dell’atmosfera .
Questa scoperta turbò tanto gli scienziati quanto l’opinione pubblica, inducendoli a pensare che lo strato di ozono che circonda il globo potesse essere esposto a un pericolo maggiore di quanto avessero previsto i modelli correnti dell’atmosfera. Una rapida “erosione” dello strato di ozono sarebbe assai preoccupante. L’ozono, molecola triatomica di ossigeno, pur costituendo meno di una parte per milione dei gas dell’atmosfera, assorbe la maggior parte della radiazione ultravioletta proveniente dal Sole, impedendo di raggiungere la superficie terrestre. Questa radiazione è abbastanza energetica da scomporre importanti molecole biologiche, compreso il DNA; se non sufficientemente filtrata, essa può quindi far aumentare l’incidenza dei tumori della pelle, delle cataratte e delle deficienze immunitarie, e provocare inoltre danni alle colture e agli ecosistemi acquatici .
In considerazione della gravità di questi effetti, molti ricercatori si sono affrettati a compiere un tentativo di determinare le cause del buco, che si sviluppa ogni primavera australe all’interno del vortice in corrispondenza del polo Sud: una massa d’aria isolata che circola per gran parte dell’anno attorno al polo australe (la quantità di ozono presente nel vortice diminuisce verso la fine di agosto e l’inizio di settembre , si stabilizza in ottobre e torna ad aumentare in novembre ). Finché non sapremo perchè si forma questo buco, non saremo in grado di stabilire se esso abbia implicazioni sulla scala planetaria o se resterà confinato alla stratosfera della regione antartica, in cui vigono condizioni metereologiche uniche. Lo sforzo di ricerca si è avvalso di vari strumenti di misurazione, alcuni installati al suolo e altri trasportati da palloni e da satelliti.
Gli strumenti a bordo di aerostati esaminano in generale il chimismo dell’aria attraverso cui si muovono .
Gli aquipaggiamenti installati al suolo e quelli trasportati da satelliti eseguono misurazioni a distanza, come quella dello spessore dello strato (o colonna) che si avrebbe se tutto l’ozono, direttamente al di sopra di un osservatore che si trovi alla superficie della terra, fosse portato in condizioni normalizzate di temperatura e di pressione. Per ottenere questo spessore teorico, che viene registrato generalmente in unità Dobson , o centesimi di millimetro, i ricercatori misurano la radiazione che colpisce la Terra a lunghezze d’onda diverse, alcune delle quali sono fortemente assorbite dall’ozono, mentre altre no (se la quantità di radiazione alle lunghezze d’onda assorbite aumenta rispetto a quella alle lunghezze d’onda non assorbite, ciò significa che la quantità di ozono è diminuita; se invece la radiazione alle lunghezze d’onda assorbite diminuisce, ciò significa che l’ozono è aumentato). Le ricerche si sono avvalse di contributi internazionali. Nel 1987 circa 150 persone, fra scienziati e personale ausiliario, in rappresentanza di 19 organizzazioni e di quattro nazioni si sono riunite a Punta Arenas , in Cile, per compiere lo studio più ambizioso finora mai condotto. L’esperimento grazie al quale si è potuto determinare che il buco nell’ozono ha raggiunto nel 1987 la sua massima estenzione, si è avvalso non solo di apparecchiature di misurazione installate al suolo o trasportate da satelliti e da aerostati, ma anche di laboratori aviotrasportati . Un aereo DC-8 opportunamente adattato e una versione migliorata dell’U-2 , l’ER-2, hanno sorvolato varie volte la regione impoverita di ozono per raccogliere informazioni dettagliate sulla sua estensione e sul suo chimismo.
La campagna del 1987, al pari di altri studi recenti si è concentrata su due fra le più quotate spiegazioni del buco nell’ozono: secondo una teoria esso sarebbe causato dagli inquinamenti, mentre l’altra sottolinea il ruolo giocato da uno spostamento naturale nelle correnti aeree che trasportano aria ricca di ozono nella stratosfera polare durante la primavera australe.
La preoccupazione per le possibili conseguenze negative dovute a sostanze inquinanti sorse prima di quansiasi prova dei danni che esse avrebbero potuto causare. Nel 1971, quando si prevedeva che gli aerei da trasporto supersonico si sarebbero diffusi in gran numero nei cieli, molti ricercatori espressero il timore che l’emissione di vapore acqueo e di altre sostanze che ne sarebbe seguita potesse avere un effetto dannoso sull’atmosfera ad alte quote. Studi di laboratorio avevavo dimostrato che tali prodotti di emissione possono attaccare l’ozono poichè vengono rilasciati nell’ambiente milioni di tonnellate di carburante, molti ricercatori sono giunti alla convinzione che di questo passo il loro accumulo nella stratosfera giungerà a una concentrazione tale da intaccare gravemente lo scudo protettivo di ozono. Sulla base di questi argomenti , nel 1978 negliStati Uniti fu vietato l’uso di prodotti aerosol , come deodoranti e spray per capelli.
Ma gli sforzi per ottenere il controllo su altre applicazioni ebbero poco successo, in parte a causa di una crescente consapevolezza della complessità del chimismo della stratosfera . L’annuncio dei ricercatori britannici che il livello di ozono nel mese di ottobre, al di sopra della loro stazione di ricerca, era aumentato portò a discutere sulla possibilità di istituire controllo internazionali su questi composti
Tali discussioni hanno indotto 23 nazioni (compresi gli Stati Uniti) a firmare nel settembre 1987 un accordo per ridurne il consumo . L’accordo, che è stato ratificato da almeno 11 nazioni, è poi divenuto ufficiale nel 1989, ha richiesto ai paesi industrializzati di congelare i consumi, entro la metà degli anni novanta, ai livelli del 1986 e di dimezzare tali consumi entro il 1999 .
Il fenomeno chimico alla base dell’ipotesi dei clorocarburi è legato alla capacità di piccole quantità di cloro di distruggere grandi quantità di ozono. Una molecola do ozono (O3) si forma quando la luce ultravioletta colpisce una molecola di ossigeno (O2). Un fotone scinde la molecola in due atomi di ossigeno altamente reattivi (O), che si combinano con molecole di ossigeno intatte, così da formare ozono (O3). Questo gas assorbe facilmente la luce ultravioletta che si dissocia di nuovo nelle sue componenti (O2 e O) ; l’atomo di ossigeno liberato si unisce successivamente a un’altra molecola di ossigeno, riformando l’ozono. Il gas continua a dissiparsi e a riformarsi più volte in questo modo finchè da ultimo entra in collisione con un atomo libero di ossigeno formando due molecole di ossigeno stabili . In condizioni costanti il risultato netto del processo è che l’ozono si stabilizza in uno stato stazionario dinamico nel quale la velocità di formazione corrisponde esattamente alla velocità di distruzione. Il cloro modifica quest’equilibrio e riduce la quantità di ozono nella stratosfera accelerandone la conversione in due molecole di ossigeno. Fatto più importante, il cloro agisce da catalizzatore: in questo processo, esso rimane inalterato. Di conseguenza, ogni atomo di cloro può distruggere fino a 100.000 molecole di ozono prima di essere inattivato o di far ritorno nella troposfera, da dove viene rimosso tramite le precipitazioni e altri processi.
Le reazioni chimiche alle quali si attribuisce la distruzione dell’ozono sono abbastanza chiaramente definite. Quando un atomo di cloro (Cl) entra in collisione con una molecola di ozono, esso si appropria del terzo atomo di ossigeno formando un radicale di monossido di cloro (ClO) insieme a una molecola di ossigeno. I radicali liberi, che sono molecole con un numero dispari di elettroni , sono notevolmente reattivi . Quando il monossido di cloro incontra un atomo di ossigeno libero - un passo importante nel ciclo catalitico - l’ossigeno in esso contenuto viene attratto fortemente dall’atomo libero e rompe il legame con il cloro per andare a formare una nuova molecola di ossigeno. Il cloro in tal modo “sedotto e abbandonato “ è libero di ricominciare il ciclo di distruzione dell’ozono. Il ciclo catalitico del cloro non si sviluppa in generale senza impedimenti. Si ritiene che due tipi principali di reazioni interferiscano con la distruzione dell’ozono, almeno alle medie latitudini. In un caso il monossido di cloro reagisce con monossido di azoto (NO). L’atomo di ossigeno del monossido di cloro viene trasferito al monossido di azoto, producendo nel corso di questa reazione un atomo di cloro libero e biossido di azoto (NO2). Quando quest’ultimo assorbe luce nella parte visibile dello spettro, libera un atomo di ossigeno, il quale rimane così disponibile per rigenerare ozono. Il risultato netto di questo processo è la conservazione di uno strato stabile di ozono .
In un secondo caso, più importante, un atomo di cloro o di radicale di monossido di cloro si combinano con un’altra molecola a formare un prodotto stabile che opera temporaneamente come un “serbatoio” di cloro; quando ilcloro è così legato, esso non è disponibile per attaccare l’ozono. Due di questi “serbatoi” di cloro sono nitrato di cloro (ClONO2) formato dalla combinazione di monossido di cloro e di biossido di azoto (NO2) e l’acido cloridrico (HCl) prodotto della reazione di un atomo di cloro con metano(CH4); Dopo un certo tempo, tali sostanze assorbono un fotone o reagiscono con altre sostanze chimiche, scomponendosi e liberando il cloro, che può così riprendere la sua distruzione catalitica dell’ozono. L’esistenza di queste reazioni di interferenza ha generalmente indotto gli specialisti di modelli al calcolatore a concludere che finora i clorofluorocarburi dovrebbero aver esercitato un effetto minimo sullo strato di ozono globale. La scoperta che il livello primaverile di ozono al Polo Sud è diminuito di più del 40 per cento fa ritenere però che, se la causa di questa diminuzione è il cloro contenuto nei clorofluorocarburi, durante la primavera antartica le normali reazioni di interferanza devono venire in qualche modo ridotte al minimo. Sulla base dei dati disponibili, la straordinaria diminuzione stagionale di ozono al Polo Sud potrebbe anche essere frutto di un evento locale destinato a non riproporsi in climi caldi, ma una siffatta valutazione non è definita. Un fatto invece è certo : i clorofluorocarburi sono in grado di modificare i livelli dell’ozono atmosferico . Inoltre il cloro, che è già introdotto nella stratosfera, continuerà a interagire con l’ozono per decenni, quand’anche si decidesse di interrompere immediatamente la sua liberazione nell’atmosfera. Per queste ragioni, l’accordo conseguito recentemente a livello mondiale sul controllo del consumo dei clorofluorocarburi è senza dubbio un’iniziativa da discutere se gli obbiettivi fissati dal trattato siano sufficienti o inutilmente rigorosi, ma il problema potrebbe chiarirsi presto.