La diminuzione dell ozono:

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1 La diminuzione dell ozono: un problema globale Vedi anche i siti

2 Struttura dell atmosfera L atmosfera è suddivisa in strati sulla base della distribuzione verticale della temperatura

3 Strati dell atmosfera: vicini TROPOSFERA E la zona dell atmosfera a contatto con il suolo: si estende fino a km di altitudine Più sottile ai Poli (6-8 km) che ai Tropici (16-18 km) Scaldata principalmente dalla Terra (la radiazione emessa dal suolo è proporzionale a quella incidente) Gradiente termico verticale decrescente con l altitudine: la temperatura varia da 14 C a 70 C STRATOSFERA E spessa poco più di 50 km L aria è sottoposta a movimenti rapidi essenzialmente laminari, in senso orizzontale La temperatura è approssimativamente costante per i primi 15 km oltre i quali si innalza fino a +70 C. In questa fascia dell atmosfera si ha la massima concentrazione di ozono e di ossigeno atomico e molecolare.

4 e lontani MESOSFERA E spessa circa 30 km La radiazione solare non filtrata è intensa La temperatura diminuisce bruscamente TERMOSFERA Parte più esterna dell atmosfera, che giunge a confondersi con lo spazio Incremento di temperatura È molto calda ma è così rarefatta che il calore non ha alcun effetto sul clima della Terra ESOSFERA Pressione praticamente nulla Frangia di transizione in cui si mescolano particelle di materia appartenente alla Terra con altre di provenienza solare

5 Caratteristiche dell ozono ❶ Forma allotropa dell ossigeno O 3 ❶ Costituente naturale dell atmosfera, in forma gassosa ❶ Colore azzurro ❶ Il termine ozono deriva dal greco ozein (odorare): ha odore pungente, quale si può sentire in seguito ad un fulmine ❶ Meno stabile dell ossigeno molecolare, ma ❶ ha un tempo di vita media lungo L ozono è utile o dannoso? ❶ ❶ L ozono è presente nella troposfera come agente inquinante, derivante soprattutto dalle attività antropiche (contribuisce al manifestarsi dell effetto serra) Esso è presente nella stratosfera, concentrato in uno strato che circonda tutto il pianeta, dove svolge il ruolo di proteggere la Terra dalle radiazioni ultraviolette La concentrazione di ozono è bassa nella troposfera, ma cresce rapidamente nella stratosfera dove raggiunge i livelli massimi fra i 15 e i 30 km, dunque

6 Lo strato di ozono protegge naturalmente la vita sulla Terra Proteggendo la Terra dai raggi UV, ha inoltre consentito la nascita e lo sviluppo della forme viventi T e m p o Tappe evolutive: Evoluzione chimica abiotica Evoluzione batterica (biotica) Comparsa di microrganismi autotrofi Predisposizione delle condizione adatte allo sviluppo delle piante Fotosintesi Atmosfera ricca di ossigeno Respirazione aerobica Strato di ozono che protegge Terra Comparsa di forme evolute di vita terrestre

7 Alcune date importanti nella storia dell ozono ❶ 1785, Van Marum lo individua per l odore pungente ❶ 1835, Schoenbein attribuisce tale odore ad una sostanza particolare che chiama ozono ❶ 1881, Hartley conclude che l ozono è un costituente permanente dell atmosfera. Inoltre lo identifica come elemento responsabile dell assorbimento dei raggi ultravioletti ❶ ca. 1920, ricercatori statunitensi correlano l aumento della concentrazione di ozono al riscaldamento degli alti strati dell atmosfera ❶ ca. 1930, viene riconosciuta una variazione stagionale nella concentrazione di ozono totale. L ozono viene pertanto considerato come un tracciante utile per lo studio di moti dell atmosfera ❶ 1974, Rowland e Molina, ipotizzano che i CFC possono danneggiare la fascia di ozono ❶ Negli ultimi decenni in Antartide si è riscontrata una forte diminuzione della concentrazione di ozono nella stratosfera ( buco di ozono ) durante la primavera antartica (settembre-novembre)

8 Fotochimica dell ozono Forme allotrope dell ossigeno in atmosfera Ossigeno molecolare O 2 Forma più comune Ozono O 3 Frazione molto ridotta dell ossigeno presente in atmosfera (circa 1 ppm) Ossigeno atomico O Molto importante per il controllo della fotochimica in atmosfera, è altamente instabile (ancor più raro dell ozono) La presenza dell ozono in atmosfera è regolata da un complesso di reazioni chimiche che governano il processo continuo di formazione e distruzione delle sue molecole.

9 Formazione dell ozono DOVE: L ozono è continuamente prodotto in alta atmosfera ove la radiazione solare non è ancora schermata. La produzione è maggiore ai tropici (dove la radiazione solare è più intensa) COME: + Radiazioni UV O 2 + UV O + O 2(O + O 2 O 3 ) 3O 2 2O 3 reazione complessiva QUANTO: La fonte globale di ozono dalla fotodissociazione dell ossigeno è praticamente costante nel tempo

10 e sua distruzione ❾ Dissociazione per radiazione ultravioletta e ricombinazione con ossigeno atomico (non al polo) ❾ Cicli catalitici basati sul cloro/bromo (inquinanti di origine antropica come i CFC) Radiazioni UV cloro attivo strato di ozono clorofluorocarburi stratosfera troposfera

11 CICLI CATALITICI O 3 + X XO +O 2 O 3 + X XO +O 2 XO +O 3 X +2O 2 XO +O X +O 2 2O 3 3O 2 O +O 3 2O 2 X elemento catalitico (disponibile ancora alla fine del processo) Avvengono in presenza di quantità, anche relativamente modeste, di altre sostanze, generalmente inquinanti. Alcuni sono molto efficienti in alta atmosfera, altri anche nella bassa stratosfera dove è stato evidenziato il buco. Importanti catalizzatori (NO, OH, Cl, Br) sono di origine generalmente antropica

12 La distribuzione dell ozono in atmosfera: il profilo verticale La distribuzione verticale dell ozono risulta da un bilancio fotochimico tra formazione e distruzione: si registra un massimo di concentrazione nella bassa stratosfera (circa tra 20 e 30 km dal suolo) Sopra i 30 km, concentrazione bassa: la formazione è rapida, ma il tasso catalitico di distruzione è pure molto rapido. Sotto i 20 km, concentrazione bassa: l ozono si forma in quantità ridotte (la radiazione ultravioletta è filtrata dagli strati alti dell atmosfera,) e la distruzione indotta da processi che avvengono al suolo è elevata.

13 La distribuzione dell ozono in atmosfera: la latitudine Concentrazioni medie Tropici: 250 DU Regioni temperate: 350 DU Regioni subpolari: 450 DU

14 Perché questa asimmetria? La distribuzione latitudinale dell ozono è dovuta a fenomeni di trasporto (venti stratosferici) combinati con una diversa velocità dei processi chimici che danno luogo alla formazione ed alla distribuzione dell ozono. Equatore: ❾ Elevata produzione (ma anche distruzione), poiché qui le radiazioni solari sono più intense ---> Strato sottile ❾ Ridotta variazione stagionale nello strato, a seguito di temperature costanti Poli: ❾ Minor produzione (a causa della minor radiazione) ❾ Importante termine di accumulo; i venti stratosferici lo trasportano dalle regioni tropicali a quelle polari ---> Strato più spesso ❾ Vortice Polare responsabile della variazione stagionale nella sua concentrazione (più significativo in Antartide)

15 Il buco dell ozono ❶ Localizzato al Polo Sud ❶ Durante la primavera antartica si osserva una tendenza alla diminuzione della concentrazione di ozono nella bassa atmosfera a quote comprese tra i 15 e 20 km ❶ La sua formazione è legata a fattori ambientali (vortice polare) e fattori antropici (CFC accumulati in atmosfera) Come si misura l ozono? Unità Dobson (DU): 1 DU corrisponde a mm di spessore di ozono puro alla densità che esso avrebbe se fosse portato alla pressione al livello del suolo

16 Trends inequivocabili: la concentrazione diminuisce rapidamente in un area sempre più vasta

17 Il vortice polare Fattore ambientale alla base del buco dell ozono al Polo Sud

18 CFC e Halons: composti chimici nati da un sogno che diventa un incubo non infiammabilità bassa tossicità bassi costi di produzione e di impiego massima stabilità buone proprietà termoisolanti buone proprietà per l isolamento impermeabile a struttura non porosa A cosa servono? Sostanze Usi prevalenti Clorofluorocarburi (CFC) solventi Refrigeranti, schiumogeni, Halons Schiume antincendio Tetracloruro Solventi di carbonio Meticloroformio Solventi Idroclorofluorocarburi Sostituti dei CFC (HCFC)

19 Un modello generalizzato della distruzione dello strato di ozono ed i suoi effetti CFC e altri composti contenenti cloro e altri alogeni Atomi di cloro e di bromo vanno nella stratosfera Riduzione dello strato di ozono, (severa ai Poli) La superficie terrestre viene raggiunta da una quantità maggiore di UV Seri danni alla salute Rese minori delle coltivazioni Maggiore quantità di smog Possibili cambiamenti climatici Mod 4 Mod 5 Mod 6 Mod 7 Modello 1 Modello 2 Modello 3 N.B: i modelli 1-3 sono stati confermati. L estensione degli effetti nei modelli 4-7 si sta ancora studiando

20 Radiazioni UV-B e vita dell uomo Un aumento dell esposizione a raggi UV-B provoca: Maggior numero di casi di tumori della pelle maligni (melanoma) e non Deficienza del sistema immunitario Danni alla retina e cataratta Maggior gravità delle scottature ed invecchiamento della pelle Maggior rischio di dermatiti tossiche ed allergiche Comparsa di malattie batteriche e virali Maggior costi per la cura della propria salute e inoltre Diminuzione dei raccolti Diminuzione del pescato Deterioramento dei materiali esterni

21 Principali effetti delle radiazioni UV-B sugli ecosistemi acquatici: Riduzione nella produzione di fitoplancton, base della catena alimentare acquatica Minor capacità di reazione del plankton alla radiazione solare Danni alle uova e morte delle larve di specie che vivono all inizio della loro vita in acque poco profonde Alterazione della distribuzione delle specie nella comunità marina terrestri: Effetti diretti sul ciclo di vita delle piante (influenza sulla crescita, traspirazione e fioritura) Riduzione della capacità di risposta nelle piante a malattie, siccità ed inquinamento Alterazione della catena alimentare terrestre

22 Radiazioni UV-B e qualità di aria, acqua e suolo Effetti indotti da un incremento di raggi UV-B incidenti: Produzione ed alterazione di inquinanti tossici in aria e acqua Aumento di smog fotochimico in zone urbane e rurali Alterazione della composizione dell atmosfera dovuta all accumularsi di inquinanti Aumento della formazione di composti acidi, causa dell acidificazione del suolo e dell acqua Alterazione di composti chimici coinvolti in importanti cicli biogeochimici Influenza sul clima (si incrementa il riscaldamento globale) e sul tempo Che fare dunque?

23 Quali alternative? Sostanze PRO CONTRO HCFCs Idrocarburi (propano, butano) Ammoniaca Acqua e vapore Si deteriorano velocemente (2-20 anni). Ampio spettro d uso (spray, aerosol, refrigerazione, condizionatori, schiume, ) Economici e subito disponibili. Ampio spettro d uso Semplice alternativa per i frigoriferi, ampliamente usata prima dei CFCs Efficace in alcune operazioni detergenti (i.e., strumenti medici) Sono gas ad effetto serra. Distruggono ancora l ozono se usati in grande quantità. Effetti sulla salute poco conosciuti Possono essere infiammabili, velenosi e aumentare il livello di inquinamento superficiale Tossica se inalata, deve essere maneggiata con cura Produce acqua inquinata che deve essere trattata Terpeni Elio Efficienti per la pulizia di parti elettroniche Efficiente per il raffreddamento di frigoriferi, congelatori e condizionatori Nessuno Questo gas può scarseggiare se usato su larga scala, ma ne bastano piccole quantità per gli strumenti

24 Alla ricerca di soluzioni Clorofluorocarburi (CFC) Sostanze Usi prevalenti Refrigeranti, schiumogeni, solventi Protocollo di Montreal (1987) Riduzione del 50% entro il 1990 Halons Schiume antincendio Nessun impegno Tetracloruro di carbonio Solventi Nessun impegno Meticloroformio Solventi Nessun impegno Idroclorofluorocarburi (HCFC) Conferenza di Londra (1990) Eliminazione totale entro il 2000 Congelamento della produzione ai livelli del 1992 entro il 2000 Eliminazione totale entro il 2000 Eliminazione totale entro il 2005 Sostituti dei CFC Nessun impegno Nessun impegno Conferenza di Copenaghen (1992) Riduzione del 75% entro il 1994 ed eliminazione totale entro il 1996 Eliminazione totale entro il 1996 Riduzione dell 85% entro il 1995 ed eliminazione totale entro il 2000 Riduzione al 70% entro il 2000 ed eliminazione totale entro il 2005 Progressiva riduzione fino a totale eliminazione entro il 2030

25 Sostituzione dei CFC: un problema dalle molte sfaccettature L industria non ha incontrato difficoltà insormontabili nel sostituire i CFC con fluidi relativamente economici e compatibili con la tecnologia esistente Tuttavia alcuni sostituti (tipicamente gli HCFC e gli HFC) hanno un potente effetto serra (alto GWP = Global Warming Potential) ESEMPIO: Composto tempo di vita medio (anni) GWP 100 anni CO 2-1 HCFC HCFC Occorre tenere conto di altri effetti collaterali!