Strato di ozono - Ozone layer

Ciclo ozono-ossigeno nello strato di ozono.

Lo strato di ozono o scudo di ozono è una regione di terra 's stratosfera che assorbe la maggior parte del sole ' s raggi ultravioletti radiazioni. Contiene un'alta concentrazione di ozono (O 3 ) rispetto ad altre parti dell'atmosfera, sebbene ancora piccola rispetto ad altri gas della stratosfera. Lo strato di ozono contiene meno di 10 parti per milione di ozono, mentre la concentrazione media di ozono nell'atmosfera terrestre nel suo insieme è di circa 0,3 parti per milione. Lo strato di ozono si trova principalmente nella parte inferiore della stratosfera, da circa 15 a 35 chilometri (da 9 a 22 miglia) sopra la Terra, sebbene il suo spessore vari stagionalmente e geograficamente.

Lo strato di ozono fu scoperto nel 1913 dai fisici francesi Charles Fabry e Henri Buisson . Le misurazioni del sole hanno mostrato che la radiazione emessa dalla sua superficie e che raggiunge il suolo sulla Terra è generalmente coerente con lo spettro di un corpo nero con una temperatura nell'intervallo di 5.500-6.000 K (5.230-5.730 ° C), tranne che non c'era radiazione al di sotto di una lunghezza d'onda di circa 310 nm all'estremità ultravioletta dello spettro. Si dedusse che la radiazione mancante veniva assorbita da qualcosa nell'atmosfera. Alla fine lo spettro della radiazione mancante è stato abbinato a una sola sostanza chimica nota, l'ozono. Le sue proprietà furono esplorate in dettaglio dal meteorologo britannico GMB Dobson , che sviluppò un semplice spettrofotometro (il Dobsonmeter ) che poteva essere utilizzato per misurare l'ozono stratosferico dal suolo. Tra il 1928 e il 1958, Dobson ha istituito una rete mondiale di stazioni di monitoraggio dell'ozono, che continuano a funzionare fino ad oggi. L'" unità Dobson ", una comoda misura della quantità di ozono in testa, è chiamata in suo onore.

Lo strato di ozono assorbe dal 97 al 99 percento della luce ultravioletta a media frequenza del Sole (da circa 200  nm a 315 nm di lunghezza d' onda ), che altrimenti danneggerebbe potenzialmente le forme di vita esposte vicino alla superficie.

Nel 1976, la ricerca atmosferica ha rivelato che lo strato di ozono veniva impoverito dalle sostanze chimiche rilasciate dall'industria, principalmente i clorofluorocarburi (CFC). Le preoccupazioni che l'aumento delle radiazioni UV dovuto alla riduzione dell'ozono minacciasse la vita sulla Terra, compreso l'aumento del cancro della pelle negli esseri umani e altri problemi ecologici, ha portato a divieti sui prodotti chimici e le ultime prove sono che l'esaurimento dell'ozono è rallentato o si è fermato. L'Assemblea generale delle Nazioni Unite ha designato il 16 settembre Giornata internazionale per la conservazione dello strato di ozono .

Venere ha anche un sottile strato di ozono a un'altitudine di 100 chilometri sopra la superficie del pianeta.

Fonti

I meccanismi fotochimici che danno luogo allo strato di ozono stati scoperti dal fisico britannico Sydney Chapman nel 1930. L'ozono nella stratosfera terrestre è creata con la luce ultravioletta sorprendenti ordinarie ossigeno molecole contenenti due ossigeno atomi (O 2 ), frazionamento loro in singoli atomi di ossigeno (ossigeno atomico); l'ossigeno atomico si combina quindi con O 2 ininterrotto per creare ozono, O 3 . La molecola dell'ozono è instabile (sebbene, nella stratosfera, longeva) e quando la luce ultravioletta colpisce l'ozono si scinde in una molecola di O 2 e un singolo atomo di ossigeno, un processo continuo chiamato ciclo ozono-ossigeno . Chimicamente, questo può essere descritto come:

Circa il 90% dell'ozono nell'atmosfera è contenuto nella stratosfera. Le concentrazioni di ozono sono maggiori tra circa 20 e 40 chilometri (66.000 e 131.000 piedi), dove variano da circa 2 a 8 parti per milione. Se tutto l'ozono fosse compresso alla pressione dell'aria a livello del mare, sarebbe solo 3 millimetri ( 18 pollici) di spessore.

Luce ultravioletta

Livelli di energia UV-B a diverse altitudini. La linea blu mostra la sensibilità del DNA. La linea rossa mostra il livello di energia superficiale con una diminuzione del 10% dell'ozono
Livelli di ozono a varie altitudini e blocco di diverse bande di radiazioni ultraviolette. In sostanza tutti i raggi UV-C (100-280 nm) sono bloccati dall'ossigeno (da 100-200 nm) o dall'ozono (200-280 nm) nell'atmosfera. La porzione più corta della banda UV-C e l'UV più energetico al di sopra di questa banda provoca la formazione dello strato di ozono, quando singoli atomi di ossigeno prodotti dalla fotolisi UV del diossigeno (sotto i 240 nm) reagiscono con più diossigeno. Lo strato di ozono blocca anche la maggior parte, ma non del tutto, della banda UV-B (280-315 nm) che produce scottature, che si trova nelle lunghezze d'onda più lunghe dell'UV-C. La banda di UV più vicina alla luce visibile, UV-A (315–400 nm), è difficilmente influenzata dall'ozono e la maggior parte di essa raggiunge il suolo. I raggi UV-A non causano principalmente arrossamenti della pelle, ma ci sono prove che provocano danni alla pelle a lungo termine.

Sebbene la concentrazione dell'ozono nello strato di ozono sia molto piccola, è di vitale importanza per la vita perché assorbe le radiazioni ultraviolette (UV) biologicamente dannose provenienti dal sole. UV estremamente brevi o sotto vuoto (10–100 nm) vengono schermati dall'azoto. La radiazione UV in grado di penetrare l'azoto è suddivisa in tre categorie, in base alla sua lunghezza d'onda; questi sono indicati come UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) e UV-C (280-100 nm).

I raggi UV-C, che sono molto dannosi per tutti gli esseri viventi, sono completamente schermati da una combinazione di diossigeno (< 200 nm) e ozono (> circa 200 nm) a circa 35 chilometri (115.000 piedi) di altitudine. Le radiazioni UV-B possono essere dannose per la pelle ed è la principale causa di scottature ; un'esposizione eccessiva può anche causare cataratta, soppressione del sistema immunitario e danni genetici, con conseguenti problemi come il cancro della pelle . Lo strato di ozono (che assorbe da circa 200 nm a 310 nm con un assorbimento massimo a circa 250 nm) è molto efficace nello schermare i raggi UV-B; per le radiazioni con una lunghezza d'onda di 290 nm, l'intensità alla sommità dell'atmosfera è 350 milioni di volte più forte che alla superficie terrestre. Tuttavia, alcuni UV-B, in particolare alle sue lunghezze d'onda più lunghe, raggiungono la superficie ed è importante per la produzione di vitamina D da parte della pelle .

L'ozono è trasparente alla maggior parte dei raggi UV-A, quindi la maggior parte di questa radiazione UV a lunghezza d'onda più lunga raggiunge la superficie e costituisce la maggior parte degli UV che raggiungono la Terra. Questo tipo di radiazione UV è significativamente meno dannosa per il DNA , sebbene possa ancora causare danni fisici, invecchiamento precoce della pelle, danni genetici indiretti e cancro della pelle.

Distribuzione nella stratosfera

Lo spessore dello strato di ozono varia in tutto il mondo ed è generalmente più sottile vicino all'equatore e più spesso vicino ai poli. Lo spessore si riferisce alla quantità di ozono presente in una colonna su una determinata area e varia da stagione a stagione. Le ragioni di queste variazioni sono dovute ai modelli di circolazione atmosferica e all'intensità solare.

La maggior parte dell'ozono viene prodotto sopra i tropici e viene trasportato verso i poli dai venti stratosferici. Nell'emisfero settentrionale questi schemi, noti come circolazione di Brewer-Dobson , rendono lo strato di ozono più spesso in primavera e più sottile in autunno. Quando l'ozono viene prodotto dalla radiazione solare UV ai tropici, lo fa mediante la circolazione che solleva l'aria povera di ozono fuori dalla troposfera e nella stratosfera dove il sole fotolizza le molecole di ossigeno e le trasforma in ozono. Quindi, l'aria ricca di ozono viene trasportata a latitudini più elevate e cade negli strati più bassi dell'atmosfera.

La ricerca ha scoperto che i livelli di ozono negli Stati Uniti sono più alti nei mesi primaverili di aprile e maggio e più bassi in ottobre. Mentre la quantità totale di ozono aumenta spostandosi dai tropici alle latitudini più elevate, le concentrazioni sono maggiori alle alte latitudini settentrionali che alle alte latitudini meridionali, con colonne di ozono primaverile alle alte latitudini settentrionali occasionalmente superiori a 600 DU e una media di 450 DU mentre 400 DU costituivano un massimo abituale in Antartide prima dell'esaurimento dell'ozono antropogenico. Questa differenza si è verificata naturalmente a causa del vortice polare più debole e della circolazione Brewer-Dobson più forte nell'emisfero settentrionale a causa delle grandi catene montuose di quell'emisfero e dei maggiori contrasti tra le temperature della terra e dell'oceano. La differenza tra le alte latitudini settentrionali e meridionali è aumentata dagli anni '70 a causa del fenomeno del buco nell'ozono . Le quantità più elevate di ozono si trovano sull'Artico durante i mesi primaverili di marzo e aprile, ma l'Antartico ha le quantità più basse di ozono durante i mesi estivi di settembre e ottobre,

Circolazione Brewer-Dobson nello strato di ozono.


esaurimento

Proiezioni della NASA di concentrazioni di ozono stratosferico se i clorofluorocarburi non fossero stati vietati.

Lo strato di ozono può essere impoverito da catalizzatori radicali liberi, tra cui ossido nitrico (NO), protossido di azoto (N 2 O), idrossile (OH), cloro atomico (Cl) e bromo atomico (Br). Sebbene ci siano fonti naturali per tutte queste specie , le concentrazioni di cloro e bromo sono aumentate notevolmente negli ultimi decenni a causa del rilascio di grandi quantità di composti organoalogenati artificiali , in particolare clorofluorocarburi (CFC) e bromofluorocarburi . Questi composti altamente stabili sono in grado di sopravvivere all'ascesa alla stratosfera , dove i radicali Cl e Br vengono liberati dall'azione della luce ultravioletta. Ogni radicale è quindi libero di avviare e catalizzare una reazione a catena in grado di abbattere oltre 100.000 molecole di ozono. Nel 2009, il protossido di azoto era la più grande sostanza dannosa per l'ozono (ODS) emessa dalle attività umane.

I livelli di ozono atmosferico misurati dal satellite mostrano chiare variazioni stagionali e sembrano verificarne il declino nel tempo.

La degradazione dell'ozono nella stratosfera determina un ridotto assorbimento delle radiazioni ultraviolette. Di conseguenza, la radiazione ultravioletta non assorbita e pericolosa è in grado di raggiungere la superficie terrestre con una maggiore intensità. I livelli di ozono sono diminuiti di una media mondiale di circa il 4% dalla fine degli anni '70. Per circa il 5% della superficie terrestre, intorno ai poli nord e sud, sono stati osservati cali stagionali molto più grandi e sono descritti come "buchi dell'ozono". La scoperta dell'esaurimento annuale dell'ozono sopra l'Antartico è stata annunciata per la prima volta da Joe Farman , Brian Gardiner e Jonathan Shanklin , in un articolo apparso su Nature il 16 maggio 1985.

Regolamento

Per supportare con successo i tentativi di regolamentazione, il caso dell'ozono è stato comunicato ai laici "con metafore di collegamento di facile comprensione derivate dalla cultura popolare" e relative a "rischi immediati di rilevanza quotidiana". Le metafore specifiche utilizzate nella discussione (scudo dell'ozono, buco dell'ozono) si sono rivelate piuttosto utili e, rispetto al cambiamento climatico globale, il caso dell'ozono è stato visto molto più come una "questione calda" e un rischio imminente. I laici erano cauti sull'esaurimento dello strato di ozono e sui rischi di cancro della pelle.

Nel 1978, gli Stati Uniti, il Canada e la Norvegia hanno messo al bando gli spray aerosol contenenti CFC che danneggiano lo strato di ozono. La Comunità Europea ha respinto un'analoga proposta di fare lo stesso. Negli Stati Uniti, i clorofluorocarburi hanno continuato ad essere utilizzati in altre applicazioni, come la refrigerazione e la pulizia industriale, fino a dopo la scoperta del buco dell'ozono antartico nel 1985. Dopo la negoziazione di un trattato internazionale (il Protocollo di Montreal ), la produzione di CFC è stata limitata a 1986 livelli con impegni a riduzioni a lungo termine. Ciò ha consentito un'introduzione graduale di dieci anni per i paesi in via di sviluppo (identificati nell'articolo 5 del protocollo). Da quel momento, il trattato è stato modificato per vietare la produzione di CFC dopo il 1995 nei paesi sviluppati e successivamente nei paesi in via di sviluppo. Oggi, tutti i 197 paesi del mondo hanno firmato il trattato. A partire dal 1 gennaio 1996, solo i CFC riciclati e stoccati erano disponibili per l'uso nei paesi sviluppati come gli Stati Uniti. Questa eliminazione graduale della produzione è stata possibile grazie agli sforzi per garantire che ci fossero prodotti chimici e tecnologie sostitutivi per tutti gli usi delle ODS.

Il 2 agosto 2003, gli scienziati hanno annunciato che l'esaurimento globale dello strato di ozono potrebbe rallentare a causa della regolamentazione internazionale delle sostanze che riducono lo strato di ozono. In uno studio organizzato dall'American Geophysical Union , tre satelliti e tre stazioni di terra hanno confermato che il tasso di riduzione dell'ozono nell'atmosfera superiore è rallentato in modo significativo durante il decennio precedente. Si può prevedere che alcuni guasti continuino a causa delle ODS utilizzate da nazioni che non le hanno vietate e dei gas che sono già nella stratosfera. Alcuni ODS, compresi i CFC, hanno una vita atmosferica molto lunga, che va da 50 a oltre 100 anni. È stato stimato che lo strato di ozono tornerà ai livelli del 1980 verso la metà del 21° secolo. Nel 2016 è stata segnalata una graduale tendenza alla "guarigione".

I composti contenenti legami C–H (come idroclorofluorocarburi o HCFC) sono stati progettati per sostituire i CFC in determinate applicazioni. Questi composti sostitutivi sono più reattivi e hanno meno probabilità di sopravvivere abbastanza a lungo nell'atmosfera da raggiungere la stratosfera dove potrebbero influenzare lo strato di ozono. Pur essendo meno dannosi dei CFC, gli HCFC possono avere un impatto negativo sullo strato di ozono, quindi anche loro vengono gradualmente eliminati. Questi a loro volta vengono sostituiti da idrofluorocarburi (HFC) e altri composti che non distruggono affatto l'ozono stratosferico.

Gli effetti residui dei CFC che si accumulano nell'atmosfera portano a un gradiente di concentrazione tra l'atmosfera e l'oceano. Questo composto organoalogeno è in grado di dissolversi nelle acque superficiali dell'oceano ed è in grado di agire come tracciante dipendente dal tempo . Questo tracciante aiuta gli scienziati a studiare la circolazione oceanica tracciando percorsi biologici, fisici e chimici

Implicazioni per l'astronomia

Poiché l'ozono nell'atmosfera impedisce alla maggior parte delle radiazioni ultraviolette energetiche di raggiungere la superficie della Terra, i dati astronomici in queste lunghezze d'onda devono essere raccolti dai satelliti in orbita sopra l'atmosfera e lo strato di ozono. La maggior parte della luce delle giovani stelle calde è nell'ultravioletto e quindi lo studio di queste lunghezze d'onda è importante per studiare le origini delle galassie. Il Galaxy Evolution Explorer, GALEX , è un telescopio spaziale orbitante ultravioletto lanciato il 28 aprile 2003, che ha funzionato fino all'inizio del 2012.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

Scienza
Politica

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