Il buco dell’ozono
Il buco dell’ozono: cos’è, perché si forma e dove si trova. Analisi di un fenomeno atmosferico caduto nel “dimenticatoio”.
di Claudio Giulianelli
ROMA, 26 gennaio 2018 – Il buco dell’ozono, una vicenda (anche mediatica in tempi passati), ormai non più al centro dell’attenzione. Il fenomeno atmosferico in questione è un problema capito e in fase di risoluzione grazie a misure prese a livello globale atte a fermare il fenomeno, di origine antropica.
Il buco dell’ozono non è altro che un forte impoverimento di questa molecola proprio nel suo strato di maggior concentrazione, tra i 15 e i 35 km di quota. Lo strato di ozono è fondamentale per la vita. Il motivo per cui la vita sulla terraferma si è sviluppata è perchè le prime forme di vita marine hanno cominciato a produrre ossigeno fino al punto da riempirne la nostra atmosfera. L’ozono è poi frutto di un ciclo, noto come ciclo di Chapman:
O2+hv–> O+O
O+O2+M–> O3+M
O3+hv–>O2+O
O3+O–>O2+O2
nel quale l’ossigeno viene fotodissociato dalla radiazione ultravioletta,in parte, andando a legarsi con altre molecole di O2, formando la molecola di ozono (O3). Il ciclo di chapman è dunque un equilibrio chimico dinamico dettato dalla radiazione solare. Senza di esso,la vita sulla terra non potrebbe esistere in quanto la radiazione UV distrugge le molecole organiche. Fu così che la vita pote spostarsi anche sulla terraferma, grazie allo schermo protettivo offerto dall’ozono.
Un buco nell’ozono significa dunque un rischio per la vita. Fortuna che si è formato sopra il posto piu inospitale del pianeta! Ma c’è una ragione per cui il fenomeno ha coinvolto quella porzione di globo. Vediamo perchè:
A causarne la forte perdita sono state attività umane, per l’immissione in atmosfera di alcuni composti chimici del cloro in particolare, i CFC(cloro-fluoro-carburi). Questi composti sono arrivati fino alla stratosfera polare (nel seguito dell’articolo,vedremo perchè), integri, in quanto sono composti stabili in troposfera, mentre in stratosfera sono stati fotodissociati dai raggi UV liberando il cloro. Ne consegue che il fenomeno avviene in primavera, quando il sole torna a irradiare le zone oltre il circolo polare antartico.
Nella lunga notte polare, nonostante l’aria sia molto secca, la stratosfera scende sotto i -80 gradi, temperatura alla quale riesce a condensare quella pochissima quantità di acqua presente,con formazione delle note nubi stratosferiche polari.
Nella condensazione delle nubi, il cloro reagisce con le specie riserva fungendo da nuclei di condensazione, secondo le seguenti reazioni:
Cl+CH4–>HCl+CH3
OH+NO2+M–>HNO3+M
ClO+NO2+M–>ClONO2+M
Queste molecole poi,pesanti (l’HNO3 in particolare),cadono per gravità. Meno catalizzatori per il ciclo di Chapman, è il primo effetto dei CFC.
Col ritorno della radiazione solare in primavera,la molecola di cloro si dissocia nei radicali Cl, secondo queste reazioni:
Cl+O3–>ClO+O2
ClO+ClO+M–>Cl2O2+M
Cl2O2+hv–>Cl+Cl+O2 (hv è il quanto di energia,con h constante di plack e v frequenza)
2[Cl+O3–>ClO+O2]
il singolo atomo di cloro prodotto alla terza reazione delle 4 appena viste,è molto reattivo e attacca l’ozono nelle reazioni di Molina (premio nobel per la scoperta di questo fenomeno,di cui prende il nome):
Cl+O3–>ClO+O2
ClO+O–>Cl+O2
Ora che abbiamo visto come avviene questo processo, vediamo perchè il buco dell’ozono si è concentrato sopra l’Antartide. Con l’arrivo dell’inverno, la radiazione solare si spegne sui poli, per mesi. Avviene un intenso raffreddamento radiativo nelle zone polari, con l’aria sovrastante che si raffredda e scende per subsidenza,generando alte pressioni al suolo (termiche,come l’anticiclone russo siberiano), mentre si ha uno svuotamento in quota (bassa pressione,vortice polare),con richiamo di aria stratosferica dal resto dell’emisfero. è così che avviene il trasporto dei CFC ai poli. il vortice polare stratosferico antartico risulta molto compatto e gira molto forte, ne consegue un suo isolamento dal resto della stratosfera planetaria. è cosi che i CFC rimangono intrappolati sopra l’Antartide. All’arrivo della radiazione, il vortice polare antartico è ancora presente, ma iniziano le reazioni di Molina. Il buco dell’ozono assume una forma tondeggiante, centrato solo sopra il continente antartico, come in figura.
Sulla restante stratosfera planetaria (non polare), la temperatura è troppo alta per consentire alla molecola di cloro di legarsi con l’ossigeno (Cl2O2). Si noti che nelle reazioni di Molina, per la produzione di cloro atomico serve l’ossigeno atomico,non presente alle quote alle quali è scomparso l’ozono. Per questo inizialmente non si credeva che composti contenenti cloro non potessero dare problemi. Si è poi scoperto che il cloro atomico si produceva tramite le 4 reazioni sopra,visto che alle bassissime temperature stratosferiche polari,il composto Cl2O2 può formarsi. La molecola viene poi scissa dalla radiazione. Nelle aree tropicali per esempio,la distruzione dell’ozono non può avvenire,in quanto il cloro ha bisogno dell’ossigeno atomico,assente in bassa stratosfera. Nè tantomeno è possibile la formazione della molecola Cl2O2, che sarebbe facilmente dissociabile in Cl+Cl+O2 dalla forte radiazione equatoriale,ma le temperature sono troppo alte per permettere la sua formazione. Al di fuori della stratosfera polare,il ciclo delle 4 reazioni sopra descritto,che porta alla formazione di Cl2O2,non può avvenire.
Nel nord emisfero l’ozono polare viene dimezzato (veniva azzerato in Antartide). Questo perchè il vortice polare del nostro emisfero,nonostante abbia lo stesso meccanismo di formazione,è molto più instabile. I venti occidentali legati al vortice,trovano sul loro percorso catene montuose (Norvegia, America occidentale) che si alternano a oceani,regioni montuose come la Groenlandia e il mar glaciale artico. Il vortice polare boreale vede dunque una frequente formazione di onde di Rossby e di gravita,di scambi di calore con le basse latitudini e possibili rotture. Se nell’emisfero australe è facile vedere la formazione dell’anticiclone sul continente antartico per subsidenza,in quanto sul continente il gelo si deposita molto facilmente,è ben più difficile vederlo su quello boreale,dove zone a facile subsidenza (Siberia, Groenlandia),si alternano a oceani e mari. Con gli scambi di calore,ne risulta un’intrusione di aria stratosferica dall’esterno del vortice polare,anche durante la nostra stagione invernale,ricca invece di ozono,che ne compensa per metà la perdita dovuta al cloro. Per entrambi i poli vale che dopo la rottura definitiva di fine stagione del vortice polare, l’ozono torna a equilibrarsi su tutto l’emisfero, e a crescere dopo l’estate, chiudendo il ciclo col massimo in inverno.
Per gli effetti e le previsioni future sul buco dell’ozono si rimanda a questo articolo: https://www.cemer.it/stratosfera-e-riscaldamento-globale