Radiazione UV, clima e atmosfera Bonasoni, P. e Cristofanelli P.

Transcript

1 Radiazione UV, clima e atmosfera Bonasoni, P. e Cristofanelli P. Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Scienze dell Atmosfera e del Clima, Via Gobetti 101, Bologna, p.bonasoni@isac.cnr.it, p.cristofanelli@isac.cnr.it Riassunto La radiazione ultravioletta (UV) è parte dello spettro elettromagnetico che caratterizza la radiazione solare nell intervallo nm, suddivisa in UV lontano ( nm), UVC ( nm), UVB ( nm) e UVA ( nm). La parte di radiazione con energia più elevata è assorbita negli alti strati dell atmosfera. La radiazione UVB, che ha ruolo fondamentale nell attivazione di importanti processi che influenzano la fotochimica dell atmosfera, è invece fortemente assorbita dallo strato di ozono presente in stratosfera. In questo modo, la ridotta quantità di radiazione che giunge alla superficie terrestre, permette lo sviluppo della vita sulla terra. Quando lo spessore dello strato di ozono si riduce sensibilmente, come in Antartide, la radiazione UVB che raggiunge il suolo è particolarmente intensa e dannosa: questo rappresenta un importante allarme riguardo la possibile alterazione antropica del sistema atmosfera-clima-ambiente. A) LA RADIAZIONE SOLARE Se ci portassimo all esterno dell atmosfera terrestre per misurare l intensità della radiazione emessa dal sole (Fig. 1) risulterebbe che il suo valore è quasi il doppio dell energia che giunge alla superficie terrestre dopo avere attraversato l atmosfera. Ciò è dovuto alla presenza in atmosfera di gas, aerosol e nubi che schermano e filtrano una parte consistente dell energia solare. Questa atmosfera, che filtra, accumula e ridistribuisce l energia, permette alla nostra terra di vivere : la temperatura media dell aria alla superficie del nostro pianeta in assenza di atmosfera sarebbe infatti di circa -18 C, anziché +15 C. Pur giungendo attenuata alla superficie terrestre, la radiazione solare è caratterizzata dalla presenza di energia a varie lunghezze d onda (λ): radiazione infrarossa, visibile ed ultravioletta (Tabella 1). Figura 1 Energia solare ricevuta al di fuori dell atmosfera ed alla superficie terrestre. Poiché l energia varia in funzione della propria frequenza (e quindi in modo inverso alla lunghezza d onda) elevate energie caratterizzano le corte lunghezze d onda (ultravioletto, UV), mentre energie inferiori si hanno spostandosi verso lunghezze d onda elevate (infrarosso, IR). A lunghezze d onda più elevate dell infrarosso si trovano le microonde e le onde radio, mentre a lunghezze d onda più corte dell ultravioletto si trovano i raggi X e i raggi gamma che hanno un energia così elevata, da poter penetrare la materia solida. L atmosfera appare

2 trasparente alla radiazione solare emessa nello spettro visibile, mentre vapor d acqua e anidride carbonica concorrono a bloccare la radiazione infrarossa. Le regioni spettrali dell ultravioletto, del visibile e dell infrarosso sono di estrema importanza per la vita su terra. Infatti, sono coinvolte in vari processi chimico-fisici che concorrono a determinare la composizione dell atmosfera e che hanno ricadute sulla biologia e fisiologia degli esseri viventi. Tabella 1 Regioni spettrali della radiazione solare. Regione Spettrale Lunghezza d onda % dell energia totale UV lontano nm 0.0 UVC nm 0.5 UVB nm 1.5 UVA nm 6.3 Visibile nm 42.3 Infrarosso nm 49.4 B) LA RADIAZIONE ULTRAVIOLETTA La radiazione ultravioletta è quella parte dello spettro solare elettromagnetico che si estende dalla lunghezza d onda di 400 nm (limite della radiazione visibile) fino a circa 10 nm (limite dei raggi X). Essa rappresenta solo una piccola parte della radiazione emessa dal sole, ma in atmosfera riveste un ruolo importante in quanto fornisce l energia necessaria a diversi processi che influenzano fortemente la fotochimica, per esempio nella produzione del radicale ossidrile OH e nella determinazione del ciclo dell ozono stratosferico. Una suddivisione, basata essenzialmente sugli effetti biologici della radiazione, la divide in tre bande distinte: UVC ( nm), UVB ( nm) e UVA ( nm). La radiazione a più elevata energia che caratterizza il lontano UV ( nm) è assorbita dall azoto (N 2 ) e dall ossigeno (O 2 ) molecolare negli strati alti dell atmosfera. I raggi ultravioletti con lunghezza d onda inferiore ai 315 nm sono arrestati (UVC) e per buona parte filtrati (UVB) principalmente dallo strato di ozono presente in stratosfera (Fig. 2). Figura 2 Intensità dei raggi UVC, UVB e UVA che giungono al suolo dopo essere stati filtrati dall ozono stratosferico e dagli altri composti atmosferici. Poiché la radiazione UVB è estremamente energetica, essa è responsabile degli eritemi, dei carcinomi e melanomi e di certe alterazioni oculari irreversibili. Gioca inoltre un importante ruolo anche nel deterioramento di materiali non-biologici. La radiazione UVA, la meno energetica dei raggi UV, raggiunge la biosfera con flussi anche notevoli (Fig.2). Nell uomo e negli animali questi raggi svolgono un azione antibatterica ed un importante azione antirachitica nelle prime fasi dello sviluppo (sintesi della vitamina D e deposizione del calcio nelle ossa).

3 C) FATTORI CHE INFLUENZANO LA RADIAZIONE UV Diversi sono i fattori che influenzano il livello di radiazione UV che raggiunge il suolo in un determinato luogo: la latitudine e la quota del luogo, l altezza del sole sull orizzonte e quindi il periodo dell anno e l ora del giorno, la copertura nuvolosa, la quantità colonnare di ozono e principalmente la concentrazione di ozono presente in stratosfera, ecc. Figura 3 - Fattori che influenzano l intensità della radiazione UV. (da WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION - GLOBAL ATMOSPHERE WATCH No. 143 MEASUREMENTS GUIDE (JULY 2001, WMO TD No. 1073) Più alto è il sole nel cielo, più elevato è il livello della radiazione solare che raggiunge il suolo, per cui risulta evidente che anche la radiazione ultravioletta varia in funzione dell ora e del giorno dell anno. Nel corso dell anno i massimi livelli di radiazione si raggiungono durante i mesi estivi e, durante la giornata, intorno a mezzogiorno. Infatti, nel corso della giornata, la radiazione solare colpisce la superficie terrestre con un angolo di incidenza variabile; in questo modo la quantità di radiazione è diffusa su una superficie più ampia rispetto a quella che si avrebbe quando i raggi del sole colpiscono perpendicolarmente la superficie considerata (a mezzogiorno). Inoltre, quando i raggi del sole giungono obliquamente al suolo, la quantità di atmosfera attraversata dalla luce solare è maggiore di quella attraversata quando il sole è direttamente sopra il punto di

4 osservazione, per cui maggiore sarà la quantità di radiazione UV assorbita dai composti atmosferici e minore l intensità di radiazione che raggiunge il suolo. Altro fattore che influenza l intensità della radiazione UV ricevuta al suolo è la quota. Gli organismi che vivono a quote elevate, rispetto a quelli che vivono a quote inferiori, sono generalmente esposti ad un intensità di radiazione solare (e quindi anche di UV) più elevata. Questo poiché lo strato di atmosfera attraversato dalla radiazione è più sottile e di conseguenza minore è lo strato di gas atmosferici ed aerosol assorbenti che essa incontra. Viene stimato che ogni 300 m di quota salita, si registra un incremento dei livelli di radiazione UV di circa il 4% (Fig.3). Figura 4 - Andamento giornaliero della radiazione UVB misurata presso la Stazione CNR O. Vittori a Mt. Cimone (2165 m) in un giorno sereno ed un giorno nuvoloso Mt.Cimone CNR Station, 2165 m slm Cielo sereno: 14/4/2006 Cielo nuvoloso: 18/4/2006 Watt / m Ora del giorno Un ruolo importante nel filtrare la quantità di radiazione UVA e UVB che raggiunge la terra è svolto dalla copertura nuvolosa. Se in atmosfera non vi sono nubi la radiazione solare viene riflessa dalle molecole di gas e dalle particelle di aerosol presenti in essa. In presenza di nubi, invece, una parte di radiazione solare viene riflessa verso lo spazio esterno, mentre un altra parte di radiazione è soggetta ad assorbimento e diffusione (scattering). Uno spesso stato di nubi aiuta a proteggere dalla radiazione UV gli organismi e i materiali che si trovano sulla superficie terrestre. Benché la presenza di nubi sottili e chiare può permettere la penetrazione di oltre il 90% di radiazione UV nell atmosfera terrestre (Fig. 3), più una nube è opaca e spessa, meno radiazione ultravioletta filtra da essa. Questo lo si può dedurre osservando la Fig. 4 che mostra l andamento giornaliero della radiazione UVB misurata presso la Stazione CNR Ottavio Vittori a Mt. Cimone, ad oltre 2000 m di quota. L andamento della radiazione registrato durante un giorno sereno è descritto da una curva a campana con il massimo a mezzogiorno, quando il sole è allo zenith. Diversamente, l andamento della radiazione UVB in un giorno caratterizzato da dense nubi risulta irregolare e ben caratteristico, con valori energetici notevolmente inferiori. Le misure riportate nella figura sono state eseguite con un sensore (Skye SKU 430) che misura la radiazione UVB nell intervallo spettrale nm. Oltre le nubi, anche l aerosol atmosferico, ossia le fini particelle di polvere, fumo, fuliggine, presenti in troposfera, è in grado di diffondere ed assorbire la radiazione UV riducendone quindi l intensità di qualche percento. In regioni ove elevata è la presenza in atmosfera di inquinanti, fumo (es. biomass burning) o sabbia (es Saharan. dust), le particelle di aerosol possono assorbire più del 50% di questa radiazione. L interazione fra aerosol atmosferico e radiazione UV è alla base della metodologia con cui lo spettrometro TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer), installato a bordo del satellite Earth Probe della NASA, è in grado di identificare la presenza di aerosol assorbente (aerosol minerale) in atmosfera. Calcolando la differenza fra il contrasto

5 spettrale misurato a 340 e 380 nm con quello calcolato da un modello di trasferimento radiativo per un atmosfera priva di aerosol, si ottiene un valore, denominato Aerosol Index. Questo valore aumenta all aumentare della concentrazione di aerosol assorbente in atmosfera. D) RADIAZIONE UV, STRATO DI OZONO ATMOSFERICO E CLIMA. L'ozono, molecola costituita da tre atomi di ossigeno (O 3 ), è un gas prodotto naturalmente nella stratosfera dove assorbe efficacemente la radiazione UV. Tra i 15 e 25 km di quota questo strato assorbe buona parte della radiazione UVB e quasi tutta la radiazione UVC proveniente dal sole, svolgendo un ruolo fondamentale per la vita sul nostro pianeta. Se l'ozono stratosferico diminuisce, il flusso della radiazione UV che attraversa l atmosfera aumenta, aumentando di conseguenza l intensità della radiazione ed i pericoli per chi vi rimane troppo esposto. Si può stimare con precisione la quantità di radiazione UVB ricevuta alla superficie utilizzando dati globali ottenuti da misure eseguite da satelliti come il TOMS e il GOME (Global Ozone Monitoring Experiment). Queste misure da satellite sono frequentemente confrontate con misure ground-based (misure integrali eseguite da strumenti con base a terra ) per verificare la validità o meno, dei dati. Per calcolare la riduzione di UVB dovuta alla quantità di ozono stratosferico, si considera l'ozono totale presente in una colonna di aria che dalla stratosfera arriva alla superficie terrestre. A medie latitudini, durante il periodo estivo una diminuzione dell'1% dell ozono stratosferico può portare ad un aumento dell intensità degli UVB che raggiungono la superficie compreso tra l 1% ed il 3%. La maggiore riduzione dello strato di ozono stratosferico viene registrata ad alte latitudini (in Artide ed in particolare in Antartide), mentre risulta trascurabile a latitudini inferiori (tra 30 N e 30 S). Com è risaputo, nel continente Antartico, le temperature fredde ed il vortice polare fanno sì che durante l inverno antartico, in particolari condizioni climatiche, si formino nella stratosfera piccole particelle di ghiaccio che favoriscono il formarsi delle Polar Stratospheric Clouds, contenenti acido nitrico e acido cloridrico. Le particelle di ghiaccio che formano queste nubi forniscono le superfici che permettono a complesse reazioni Figura 5 - Variazione dell irradianza misurata alla superficie terrestre in funzione della lunghezza d onda, per diverse quantità colonnari di ozono (espresse in Dobson Unit DU) e per diversi angoli solari zenitali (SZA). chimiche di avere luogo, favorendo, all arrivo dei primi raggi di sole sul continente antartico, la rapida distruzione dell ozono. La deplezione dello strato di ozono stratosferico è l ultimo anello di questa catena, iniziata dall uomo con l immissione in atmosfera dei clorofluorocarburi e finita con il buco nello strato di ozono che permette alla radiazione UV ad alta energia di raggiungere la superficie terrestre. Un esempio di come varia l energia ricevuta alla superficie terrestre in funzione della lunghezza d onda della

6 radiazione considerata, per diverse quantità colonnari di ozono (espresse in Dobson Unit DU) e per diversi angoli solari zenitali (SZA) è mostrato nella Figura 5. Si nota chiaramente come l'irradianza vari fortemente con la lunghezza d'onda. Ad esempio per 400 DU e SZA=0, l'irradianza a 290 nm è solo una piccolissima frazione di quella presente a 320 nm. Questo illustra inoltre l importante ruolo che l ozono gioca nel filtrare la radiazione a lunghezze d'onda inferiori a 320 nm. Quando il sole si abbassa sull orizzonte, l'angolo solare aumenta (SZA) ed aumenta pure il percorso compiuto dai raggi solari attraverso l'atmosfera. Ad esempio, considerando l angolo solare (SZA) a 75, l'irradianza diminuisce significativamente a seguito del forte assorbimento di ozono stratosferico presente sul cammino ottico della radiazione. Se il contenuto colonnare di ozono si riduce da 400 DU a 100 DU è ovvio che si registra una grande differenza nell assorbimento di radiazione UV. Ad angoli solari di 0, l'assorbimento a 290 nm diminuisce di un fattore centomila, anche se va ricordato che un valore così basso come 100 DU si è verificato solo sul continente antartico a seguito del "buco dell ozono". La deplezione o riduzione dello strato di ozono stratosferico favorisce gli effetti che i raggi UV, ed in particolare UVB, possono produrre sull uomo e sull ecosistema terrestre (animali, organismi marini, vegetazione). Dove questo strato si è ridotto, si è ridotto ovviamente il filtro dell atmosfera alla radiazione UV e secondo l UNEP - Programma Ambientale delle Nazioni Unite - ogni anno si stima che un decremento del 10% dell ozono stratosferico può causare circa melanomi ed oltre 1.6 milioni casi di cataratte. Particolarmente importante è anche lo studio per determinare gli effetti che l incremento della radiazione UVB produce sulla biosfera marina nell area Antartica, sia perché la riduzione dello strato di ozono stratosferico su quel continente è stata eccezionale, sia perché il fitoplancton che cresce in abbondanza nel mare Antartico forma la base della catena alimentare marina. E infatti grazie al fitoplancton che gli oceani producono almeno la metà del materiale organico presente nella biosfera ed è attraverso la fotosintesi del fitoplancton che viene prodotta la maggiore parte dell'ossigeno presente nell'atmosfera terrestre. Ricercatori hanno trovato che l incremento all'esposizione di radiazione UVB causata dal buco nello strato di ozono produce indicativamente una riduzione del 6-12% della fotosintesi del fitoplancton sulla superficie marina nell area della penisola Antartica. Molti studi eseguiti sia in laboratorio che in campo hanno dimostrato le gravi conseguenze che potrebbe provocare un ulteriore aumento della radiazione UVB sulla biosfera. C e quindi la necessità di migliorare la nostra comprensione del complesso sistema atmosfera - clima - ambiente mediante appositi studi e misure in questo campo. Il perfetto equilibrio che il sistema atmosfera ha saputo mantenere per secoli e che come non mai oggi viene alterato dalle attività antropiche, porta indubbie modifiche al clima. Molte delle cause che alterano il clima sono fortunatamente note, grazie agli studi che la comunità internazionale ha intrapreso da diversi anni. Come nel caso del buco nello strato di ozono sopra l Antartide, ciò ha permesso ad esempio, di suggerire le adeguate politiche riparatrici (vedi Protocollo di Montreal e Protocollo di Kyoto). Tuttavia, le politiche scaturite e suggerite da questi studi sono complementari ad un uso più corretto e solidale del pianeta Terra che deve vedere coinvolti tutti i suoi abitanti.