Sapere cos'è, quali sono i gas che hanno un impatto e quando lo strato di ozono dovrebbe rigenerarsi

Cos'è lo strato di ozono? Questa è una domanda molto importante per chiunque si preoccupi della salute del pianeta Terra e, di conseguenza, del nostro. Ma per rispondere prima devi capire come funzionano alcuni processi di base nell'atmosfera.

Uno dei principali problemi ambientali associati alla chimica e all'inquinamento atmosferico è l'esaurimento (o degrado) dello strato di ozono. Devi aver sentito parlare di questo argomento. Lo strato di ozono, come suggerisce il nome, è uno strato dell'atmosfera terrestre che ha alte concentrazioni di ozono (O3). La concentrazione maggiore si trova nella stratosfera, a circa 20-25 km dalla superficie terrestre. Il picco di queste concentrazioni si trova alle alte latitudini (poli) e il più basso si verifica nelle regioni tropicali (sebbene il tasso di produzione di O3 sia più elevato ai tropici).

Come è già stato detto nel nostro articolo "Ozono: cattivo o bravo ragazzo?", Questo gas può essere sia estremamente importante ed essenziale per la vita sulla Terra, oltre che un inquinante altamente tossico. Tutto dipende dallo strato atmosferico in cui si trova. Nella troposfera, è un cattivo. Nella stratosfera, un bravo ragazzo. In questa materia parleremo dell'ozono stratosferico, sottolineando le sue funzioni, la sua importanza, come è stato degradato e come evitare che ciò accada.

Funzioni

L'ozono stratosferico (il bravo ragazzo) è responsabile del filtraggio della radiazione solare ad alcune lunghezze d'onda (assorbe tutta la radiazione ultravioletta B, chiamata UV-B e una parte di altri tipi di radiazione) in grado di causare alcuni tipi di cancro, essendo uno dei peggiori è il melanoma. Ha anche la funzione di mantenere calda la Terra, impedendo a tutto il calore emesso sulla superficie del pianeta di dissiparsi.

Cos'è lo strato di ozono?

Lo strato di ozono, come accennato in precedenza, è uno strato che concentra circa il 90% delle molecole di O3. Questo strato è essenziale per la vita sulla terra, poiché protegge tutti gli esseri viventi filtrando la radiazione solare ultravioletta di tipo B. L'ozono si comporta diversamente a seconda dell'altitudine alla quale si trova. Nel 1930, un fisico inglese di nome Sydnei Chapman descrisse i processi di produzione e degradazione dell'ozono stratosferico sulla base di quattro fasi: fotolisi dell'ossigeno; produzione di ozono; consumo di ozono I; consumo di ozono II.

1. Fotolisi dell'ossigeno

La radiazione solare raggiunge una molecola di O2, separando i suoi due atomi. In altre parole, questa prima fase ottiene due atomi di ossigeno libero (O) come prodotto.

2. Produzione di ozono

In questa fase, ciascuno dell'ossigeno libero (O) prodotto nella fotolisi reagisce con una molecola di O2, ottenendo come prodotto molecole di ozono (O3). Questa reazione avviene con l'ausilio di un atomo o di una molecola catalitica, una sostanza che permette alla reazione di avvenire più rapidamente, ma senza agire attivamente e senza legarsi ai reagenti (O e O2) o al prodotto (O3).

I passaggi 3 e 4 dimostrano come l'ozono può essere degradato in modi diversi:

3. Consumo di ozono I

L'ozono formatosi in fase di produzione viene quindi nuovamente degradato in una molecola di O e una di O2 per azione della radiazione solare (in presenza di lunghezze d'onda comprese tra 400 nanometri e 600 nanometri).

4. Consumo di ozono II

Un altro modo in cui l'ozono (O3) viene degradato è reagendo con atomi di ossigeno libero (O). In questo modo, tutti questi atomi di ossigeno si ricombineranno, generando due molecole di ossigeno (O2) come prodotto.

Ma allora, se l'ozono viene prodotto e degradato, cosa mantiene lo strato di ozono? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo considerare due fattori importanti: il tasso di produzione / distruzione delle molecole (la velocità con cui vengono prodotte e distrutte), e la loro vita media (tempo necessario per ridurre la concentrazione di alcuni composti alla metà del concentrazione iniziale).

Per quanto riguarda la velocità di produzione / distruzione delle molecole, è stato riscontrato che i passaggi 1 e 4 sono più lenti dei passaggi 2 e 3 del processo. Tuttavia, poiché tutto inizia nella fase di fotolisi dell'ossigeno (fase 1), possiamo dire che la concentrazione di ozono da generare dipende da essa. Questo spiega perché la concentrazione di O3 diminuisce ad altitudini superiori a 25 km e ad altitudini inferiori; ad altitudini superiori a 25 km, la concentrazione di O2 diminuisce. Negli strati atmosferici inferiori prevalgono lunghezze d'onda maggiori, che hanno meno energia per abbattere le molecole di ossigeno, riducendo la loro velocità di fotolisi.

Nonostante la grande scoperta di questi passaggi, se dovessimo considerare solo questi processi di distruzione, otterremmo valori di concentrazione di O3 due volte superiori a quelli osservati nella realtà. Ciò non accade perché, oltre ai passaggi dimostrati, ci sono anche cicli innaturali di riduzione dell'ozono causati da Sostanze che riducono l'ozono (SDO): prodotti come halon, tetracloruro di carbonio (CTC), idroclorofluorocarburo (HCFC), clorofluorocarburo (CFC) e bromuro di metile (CH3Br). Quando vengono rilasciati nell'atmosfera, si spostano nella stratosfera, dove vengono decomposti dalla radiazione UV, rilasciando atomi privi di cloro, che a loro volta rompono il legame dell'ozono, formando monossido di cloro e ossigeno gassoso. Il monossido di cloro formato reagirà di nuovo con gli atomi privi di ossigeno,formando più atomi di cloro, che reagirà con l'ossigeno e così via. Si stima che ogni atomo di cloro possa decomporre circa 100mila molecole di ozono nella stratosfera e abbia una vita utile di 75 anni, ma la scarica è stata sufficiente per reagire per quasi 100 anni con l'ozono. Oltre alle reazioni con ossidi di idrogeno (HOx) e ossidi di azoto (NOx) che reagiscono anche con O3 stratosferico, distruggendolo, contribuendo alla degradazione dello strato di ozono.Oltre alle reazioni con ossidi di idrogeno (HOx) e ossidi di azoto (NOx) che reagiscono anche con O3 stratosferico, distruggendolo, contribuendo alla degradazione dello strato di ozono.Oltre alle reazioni con ossidi di idrogeno (HOx) e ossidi di azoto (NOx) che reagiscono anche con l'O3 stratosferico, distruggendolo, contribuendo alla degradazione dello strato di ozono.

Il grafico seguente mostra la storia del consumo di SDO in Brasile:

Dove sono le sostanze che riducono lo strato di ozono e come evitarle?

CFC

I clorofluorocarburi sono composti sintetizzati formati da cloro, fluoro e carbonio, che sono stati ampiamente applicati in diversi processi - i principali sono elencati di seguito:

• CFC-11: utilizzato nella produzione di schiume poliuretaniche come agente espandente, in aerosol e medicinali come propellente, nella refrigerazione domestica, commerciale e industriale come fluido;
• CFC-12: applicato in tutti i processi in cui è stato utilizzato CFC-11 e anche in miscela con ossido di etilene, come sterilizzatore;
• CFC-113: utilizzato negli elementi elettronici di precisione, come solventi per la pulizia;
• CFC-114: utilizzato in aerosol e medicinali come propellente;
• CFC-115: utilizzato come fluido nella refrigerazione commerciale.

Si stima che questi composti siano circa 15.000 volte più dannosi per lo strato di ozono rispetto alla CO2 (anidride carbonica).

Nel 1985, la Convenzione di Vienna per la protezione dello strato di ozono è stata ratificata in 28 paesi. Con la promessa di cooperazione nella ricerca, monitoraggio e produzione di CFC, il convegno ha presentato l'idea di affrontare un problema ambientale a livello globale prima che i suoi effetti fossero avvertiti o scientificamente provati. Per questo motivo, la Convenzione di Vienna è considerata uno dei massimi esempi di applicazione del principio di precauzione nei principali negoziati internazionali.

Nel 1987, un gruppo di 150 scienziati di quattro paesi si è recato in Antartide e ha confermato che la concentrazione di monossido di cloro era circa cento volte superiore in quella regione che in qualsiasi altra parte del pianeta. Poi, il 16 settembre dello stesso anno, il Protocollo di Montreal stabilì la necessità di un graduale divieto dei CFC e della loro sostituzione con gas non dannosi per lo strato di ozono. Grazie a questo protocollo, il 16 settembre è considerata la Giornata mondiale per la protezione dello strato di ozono.

La Convenzione di Vienna per la protezione dello strato di ozono e il Protocollo di Montreal sono stati ratificati in Brasile il 19 marzo 1990, essendo promulgati nel paese il 6 giugno dello stesso anno, con Decreto n. 99.280.

In Brasile, l'uso dei CFC è stato completamente interrotto nel 2010, come mostrato nel grafico sottostante:

HCFC

Gli idroclorofluorocarburi sono sostanze artificiali importate in Brasile, inizialmente in piccole quantità. Tuttavia, a causa del divieto dei CFC, l'uso è in aumento. Le principali applicazioni sono:

Settore manufatturiero

• HCFC-22: condizionamento dell'aria e refrigerazione a schiuma;
• HCFC-123: estintori;
• HCFC-141b: schiume, solventi e aerosol;
• HCFC-142b: schiume.

Settore dei servizi

• HCFC-22: refrigerazione aria condizionata;
• HCFC-123: macchine frigorifere ( chiller );
• HCFC-141b: pulizia dei circuiti elettrici;
• Miscele HCFC: frigoriferi per aria condizionata.

Secondo il Ministero dell'Ambiente (MMA), si stima che, entro il 2040, il consumo di HCFC sarà eliminato in Brasile. Il grafico sottostante mostra l'evoluzione nell'uso degli HCFC:

Bromuro di metile

È un composto organico alogenato che, sotto pressione, è un gas liquefatto e può avere origine naturale o sintetica. Il bromuro di metile è immensamente tossico e letale per gli esseri viventi. Trovava largo impiego in agricoltura e nella protezione delle merci immagazzinate e per la disinfezione di cisterne e mulini.

Il Brasile ha già congelato le quantità di bromuro di metile importato dalla metà degli anni 1990. Nel 2005, il paese ha ridotto le importazioni del 30%.

La tabella seguente mostra il programma stabilito dal Brasile per l'eliminazione dell'uso del bromuro di metile:

Secondo l'MMA, l'uso del bromuro di metile è autorizzato solo per i trattamenti di quarantena e pre-spedizione riservati alle importazioni ed esportazioni.

Di seguito, il grafico mostra la storia del consumo di bromuro di metile in Brasile:

Halons

La sostanza halon è prodotta e importata artificialmente dal Brasile. È composto da bromo, cloro o fluoro e carbonio. Questa sostanza è stata ampiamente utilizzata negli estintori per tutti i tipi di incendio. Secondo il Protocollo di Montreal, nel 2002, sarebbe consentita l'importazione di halon riferita alla media delle importazioni brasiliane tra il 1995 e il 1997, riducendo del 50% nel 2005 e, nel 2010, l'importazione sarebbe totalmente vietata. Tuttavia, la risoluzione Conama n. 267, del 14 dicembre 2000, è andata oltre, vietando l'importazione di nuovi halon dal 2001 in poi, potendo importare solo halon rigenerati, in quanto non fanno parte del programma di eliminazione del protocollo.

Halon-1211 e halon-1301 sono utilizzati principalmente nell'eliminazione degli incendi marini, nella navigazione aerea, nelle navi petrolifere e nelle piattaforme di estrazione del petrolio, nelle collezioni culturali e artistiche e nelle centrali elettriche e nucleari, oltre all'uso di militare. In questi casi l'utilizzo è consentito per la sua efficacia nello spegnimento degli incendi senza lasciare residui e senza danneggiare gli impianti.

Secondo il grafico sottostante, il Brasile ha già eliminato il consumo di halon.

Cloro

Il cloro viene emesso nell'atmosfera in maniera antropica (tramite l'attività umana), principalmente attraverso l'utilizzo di CFC (clorofluorocarburi), che abbiamo già visto sopra. Sono composti sintetici gassosi, ampiamente utilizzati nella produzione di spray e nei vecchi frigoriferi e congelatori.

Ossido d'azoto

Alcune sorgenti naturali di emissione sono trasformazioni microbiche e scariche elettriche nell'atmosfera (raggi). Sono anche generati da fonti antropiche. Il principale è la combustione di combustibili fossili ad alte temperature. Per questo motivo l'emissione di questi gas avviene nella troposfera, che è lo strato dell'atmosfera in cui viviamo, ma vengono facilmente trasportati nella stratosfera attraverso il meccanismo di convezione, che può poi raggiungere lo strato di ozono degradandolo.

Uno dei metodi per evitare le emissioni di NO e NO2 è l'uso di catalizzatori. I catalizzatori delle industrie e delle automobili hanno la funzione di accelerare le reazioni chimiche che trasformano gli inquinanti in prodotti meno dannosi per la salute umana e per l'ambiente, prima che vengano rilasciati nell'atmosfera.

Ossidi di idrogeno

La principale fonte di HOx nella stratosfera è la formazione di OH dalla fotolisi dell'ozono, che produce atomi di ossigeno eccitati, che reagiscono con i vapori d'acqua.

Buco dello strato di ozono

Immagine: NASA

Nel 1985 si è riscontrata una significativa riduzione di circa il 50% dell'ozono stratosferico tra settembre e novembre, che corrisponde al periodo primaverile nell'emisfero australe. La responsabilità è stata attribuita all'azione del cloro dei CFC. Diversi studi hanno indicato che il processo ha avuto luogo dal 1979.

L'unico buco nello strato di ozono si trova sull'Antartide - in qualsiasi altro luogo, ciò che è accaduto è stata la lenta e graduale diminuzione dello strato di ozono.

Tuttavia, c'è una grande tendenza attuale di inversione del danno allo strato di ozono, a causa delle misure adottate nel Protocollo di Montreal, come informato dal Programma di sviluppo delle Nazioni Unite (UNDP). L'aspettativa è che, entro il 2050, il livello verrà ripristinato ai livelli precedenti al 1980.

Curiosità: perché solo al Polo Sud?

La spiegazione per il buco che si verifica solo sull'Antartide può essere data dalle condizioni speciali del Polo Sud, come basse temperature e sistemi isolati di circolazione atmosferica.

A causa delle correnti di convezione, le masse d'aria circolano ininterrottamente, ma in Antartide a causa del fatto che il suo inverno è estremamente rigido, la circolazione dell'aria non si verifica, producendo cerchi di convezione limitati all'area, che sono chiamati vortice polare o vortice.

Vedi anche questo breve video prodotto dall'Istituto Nazionale per la Ricerca Spaziale (Inpe) sul degrado dello strato di ozono da CFC:

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