LA SCIENZA DEL BUCO DELL’OZONO

(Belviso)

E’ evidente che l’attività umana ha avuto maggiore interesse sullo strato dell’ozono negli ultimi vent’anni, sin da quando gli scienziati hanno dichiarato che l’emissione di clorofluorocarburi nell’atmosfera può ridurre la quantità di ozono sulle nostre teste.

La presenza di questi Gas (componenti di clorina) fu scoperta nella stratosfera.

La scoperta del buco dell’ozono fu subito collegata all’incremento di questi componenti di clorina. La perdita dell’ozono non fu limitata solo all’Antartico – tutt’attorno nello stesso tempo la prima testimonianza fu prodotta in una diminuzione dell’ozono sulla popolata media latitudine.

Tuttavia, l’improvvisa differenza e la quasi totale perdita dell’ozono sull’Antartico a certe altitudini e la perdita dell’ozono nelle medie latitudini è molto più lenta in alcuni periodi dell’anno.

Tuttavia, è molto preoccupante quello che si presenta all’interesse della ricerca scientifica. Molte di queste scoperte hanno trovato rinforzo da una varietà di organismi scientifici e investigativi internazionali tramite satelliti ,aircraft, pallono e stazioni terrestri, inoltre le implicazioni sono ancora da quantificare e da valutare.

Una ricetta per far sparire l’ozono

Per capire come avviene la perdita dell’ozono e ciò che succede per distruggerne tanto, bisogna pensare ad una "ricetta". Abbiamo bisogno di molti ingredienti perché avvenga una perdita di ozono.

Le caratteristiche speciali della meteorologia polare

Cominciamo a guardare come si comporta l’atmosfera al di sopra dei poli.
La figura seguente indica schematicamente cosa succede al di sopra dell’atmosfera durante l’inverno.

Durante le notti polari invernali, la luce del polo nord raggiunge il polo sud.
Una parte venuta circumpolare si sviluppa al centro di una stratosfera più bassa.
Quindi i venti polari sono conosciuti come i vortici polari – ciò ha l’effetto di isolare l’aria al di sopra delle regioni polari.
Poiché non c’è luce solare, l’aria all’interno del vortice polare, può diventare molto fredda – così fredda che si possono formare speciali nubi una volta che la temperatura dell’aria scende al di sotto di -80°C.

Queste nubi sono chiamate "Nubi Polari Stratosferiche" (o PSC in breve) ma non sono le nubi che siamo abituati a vedere nel cielo che sono composte da gocce di acqua.

Quando la temperatura diventa più fredda si possono produrre gocce di acqua grandine con l’appoggio di acido nitrico.
Quindi l’esatta composizione è ancora oggetto di studio. Quindi PSC solo perché avviene la perdita di ozono.
Così abbiamo i primi ingredienti per la nostra ricetta della perdita di ozono.

Noi dobbiamo avere:

1- inverno polare che porta alla formazione del vortice polare che isola l’aria all’interno si esso.

2- temperature fredde; fredde abbastanza per la formazione delle nuvole della stratosfera polare. Nel momento in cui il vortice polare si isola le temperature persistono.

Processo chimico che porta all’Impoverimento dell’ozono polare

E’ chiaro che i componenti di cloro e bromuro determinano l’impoverimento dell’ozono osservato nel buco dell’ozono al di sopra dell’Antartico e al di sopra del Polo Nord.

Comunque non è stata chiaramente ancora spiegata la relativa importanza di cloro e bromuro per la distruzione dell’ozono in diverse regioni dell’atmosfera.

Quasi tutto il cloro e metà del bromuro sulla stratosfera laddove è stato osservato il maggior impoverimento, dipende dalle attività umane. La figura di sopre mostra una schematizzazione del ciclo di vita del CFCs, in che modo essi sono trapiantati nella stratosfera più alta/più bassa mesosfera come la luce del sole rompe i componenti e in che modo i loro prodotti salgono nel vortice polare.

I principali veicoli di cloro (riserve) inorganici durevoli sono l’acido (HCl) e i nitrati di clorina (ClONO₂).
Quindi si formano dei composti negativi del CFCS.

(N₂O₅) è una riserva di ossidi di azoto ed ha un ruolo importante sulla chimica.

L’acido nitrico(HNO₃) è importante perché mantiene alti livelli di cloro attivo (come spiegato).

Produzione di radicali di clorina

Uno dei più importanti punti da capire sulla chimica del buco dell’ozono e che le reazioni chimiche più importanti sono insolite.

Esse non possono aver luogo nell’atmosfera a meno che non si verifichino alcune condizioni: i nostri primi due ingredienti nelle ricetta della perdita dell’ozono.

La caratteristica centrale di questa insolita chimica è che HCl e ClONO2 sono trasformati in forme più attive di clorina sulla superficie delle nuvole della stratosfera polare. Le più importanti reazioni sulla distruzione dell’ozono sono:

HCl + ClONO₂---> HNO₃ + Cl₂     (1)

ClONO₂ + H₂O ---> HNO₃ + HOCl   (2)

HCl + HOCl ---> H₂O + Cl2       (3)

N₂O₅ + HCl ---> HNO₃ + ClONO    (4)

N₂O₅ + H₂O ---> 2 HNO₃          (5)

E’ importante sapere che queste reazioni possono aver luogo solamente sulla superficie delle nuvole della stratosfera polare e sono molto veloci.
Ecco perché il buco dell’ozono è stata una sorpresa.

Reazioni eterogenee (quelle convengono nella superficie) sono stati tralasciati nei processi chimici atmosferici (almeno nella stratosfera) fino a che si scoprisse il buco dell’ozono. Un altro ingrediente, allora è che questa reazione eterogenea che permette alla riserva di cloro e bromuro di essere rapidamente trasformate in forme più attive.

L’acido nitrico (HNO₃) formato in queste reazioni rimane nelle particelle di PSC, cosi che le concentrazioni gassose di ossido di azoto si riducono.

Questa riduzione, "denoxification", è molto importante perché rallenta il tasso  del ClO che avrebbe luogo per reazione:

ClO + NO₂ + M  ---> ClONO₂ + M           (6)

(dove M è la molecola dell’aria)

e così si mantengono alti i livelli di cloro attivo.

Qui ci sono altre informazioni sulla nostra stratosfera polare.

Questo film mostra una simulazione tridimensionale di come il ritardo di cloro cambia durante l’inverno nell’emisfero settentrionale nella stratosfera più bassa.

Ricorda che ClONO₂ si distrugge quando frana (?)   il PSCs.
Il sole ritorna nella regione polare al di sopra del sistro mediano che ClONO₂ incomincia a compensare.

Ciò avviene prima intorno al limite del vortice polare e noi vediamo la classica forma a ciambella del cosiddetto collare di nitrato di cloro.

Il ritorno della luce del sole

In ultimo notare che noi abbiamo formato soltanto il cloro molecolare (Cl₂) dalle reazioni (1)-(5).
Per distruggersi l'ozono ha bisogno di cloro atomico.
Il cloro molecolare si foto - dissocia facilmente:

Cl₂ + hv -- -> Cl + Cl

Questa è la chiave per danneggiare il buco dell'ozono.

Durante l'inverno polare le temperature fredde che si formano sul vortice portano alla formazione delle minuscole stratosferiche polari.

Reazioni eterogenee trasformano le forme di riserve dell’ozono distruggendo le specie di cloro e bromuro nelle loro forme molecolari.

Quando la luce del sole ritorna sulle regioni polari dell’emisfero meridionale (autunno nell’emisfero settentrionale) Cl₂ si divide rapidamente in atomi di cloro che portano l’immediata perdita di ozono.
Questa sequenza di avvenimenti è stata confermata da dati prima, durante e dopo il buco dell’ozono.

C’è ancora un altro ingrediente per la nostra ricetta sulla distruzione dell’ozono.

Abbiamo quasi tutto ma non abbiamo ancora spiegato le reazioni chimiche per cui il cloro atomico prenda realmente parte alla distruzione dell’ozono. Lo studieremo in seguito.

Distruzione catalitica dell’ozono

I dati  delle specie chimiche al di sopra del polo mostrano gli altri livelli di forma attiva di cloro che abbiamo precedentemente spiegato.
Comunque noi abbiamo molti più atomi di ozono di quanti ne abbiamo bisogno.

Allora come è possibile distruggere quasi tutto l’ozono ?
La risposta a questa domanda si trova in ciò che è conosciuto come "ciclo catalitico".

Un ciclo catalitico è uno in cui una molecola cambia in modo significativo o rende possibile un ciclo di reazioni senza essere alterato dal ciclo stesso.

La produzione di cloro attivo richiede la luce del sole e la luce del sole conduce ai seguenti cicli catalitici che si pensa siano cicli che coinvolgono il cloro ed il bromuro, indispensabili per la distruzione dell’ozono.

( I ) ClO + ClO +M ---> Cl₂O₂ + M

ClO₂ + hv ---> Cl + ClO₂

ClO₂ + M ---> Cl + O₂ + M

Quindi: 2 x (Cl + O₂ ) ---> 2 x (ClO + O₂ )

Cioè: 2 O₃ ---> 3 O₂

E

( I I ) ClO + BrO ---> Br + Cl +O₂

Cl + O₃ ---> ClO + O₂

Br + O₃ ---> BrO + O₂

Cioè: 2 O₃ ---> 3 O₂

L’abbassamento ( Cl₂O₂ ) del radicale memorizzato di cloro coinvolto nel ciclo ( I ) è instabile e il ciclo è più efficace a temperatura bassa.

Queste  basse temperature sono importanti nel vortice polare durante l’inverno. Si crede che sia responsabile per più del 70 % della perdita dell’ozono sull’Antartide.

Nell’Artico più trepido una gran parte della perdita può essere dovuta al ciclo( II ).

In breve per avere la mancanza di ozono ci vuole:

1. L’inverno polare (conduce) porta alla formazione del vortice polare che isola l’aria all’interno di esso
2. Le temperature fredde all’interno del vortice, fredde abbastanza per la formazione di nuvole stratosferiche Polari. Mentre si isola il vortice d’aria continuano le fredde temperature del PSCs.
3. Una volta che si è formato il PSCs avvengono reazioni eterogenee che trasformano il cloro inattivo e le riserve di bromuro in forme più attive di cloro e di bromuro.
4. Non avviene nessuna perdita di ozono fino a che la luce del sole all’interno del vortice polare è perfetta (la luce del sole) la produzione di cloro attivo dia inizio alla distruzione del ciclo catalitico. La perdita di ozono è rapida.

Il buco dell’ozono al momento copre una regione geografica un po’ più grande dell’Antartico e si estende per quasi tutta la latitudine nella stratosfera più bassa.