Misure ottiche per lo studio dell'ozono stratosferico

Fig. 1 - Fotometro solare multispettrale ASP-15WL montato su sistema alt-azimuth operante presso la base italiana di Terra Nova Bay (Campo Icaro in Antartide)

Per stratosfera s'intende quella parte dell'atmosfera terrestre che si estende dalla quota di tropopausa (che varia tra gli 8 ÷ 10 km alle latitudini polari e più di 16 km all'equatore) a quella di stratopausa, posta attorno ai 50 km. In questa regione atmosferica, la concentrazione delle molecole di ozono presenta un ampio massimo tra le quote di 15 e 35 km, con valori abbastanza elevati affinché tutto l'ozono presente nella colonna verticale atmosferica costituisca di fatto uno strato dello spessore complessivo di circa 3 millimetri, se ridotto a condizioni normali di pressione e temperatura. Anche se così sottile, questo straterello di ozono è abbastanza denso da assorbire quasi del tutto la radiazione solare che passa attraverso l'atmosfera e da completare, nell'intervallo spettrale da 280 a 340 nm, lo scudo costituito dall'atmosfera terrestre a protezione delle forme di vita esistenti sul nostro pianeta. Valutazioni accurate, fatte con il programma di calcolo UV-SIC (UltraViolet Solar Irradiance Calculations), da noi preparato sulla base di realistici modelli di trasporto radiativo in atmosfera, mostrano che una diminuzione dello spessore dello strato di ozono del 15% alle medie latitudini porterebbe ad un aumento di più del 150% della radiazione solare globale in arrivo al suolo nell'intervallo di lunghezza d'onda da 290 a 300 nm, quando il Sole è alto più di 30· sopra l'orizzonte. Più in generale, qualsiasi latitudine si consideri, il fenomeno di riduzione del contenuto stratosferico di ozono comporta un rilevante aumento della radiazione solare UV che arriva al suolo con il conseguente incremento dei danni arrecati non solo alle varie forme di vita esistenti alla superficie terrestre, ma anche alla salute dell'uomo (eritema della pelle, cataratte agli occhi e cancro della pelle nella forma non melanoma).

Fig. 2 - In alto: spettrometro GASCOD montato sull'aereo M-55 Geophysika. In basso: l'aereo M-55 Geophysica pronto per il volo

Per comprendere quali sono le cause della diminuzione del contenuto stratosferico di ozono osservata in Antartide negli ultimi venti anni, o in misura assai più contenuta alle medie latitudini, è necessario acquisire una precisa conoscenza di tutti i delicati meccanismi attraverso i quali le molecole di ozono si formano e si decompongono. In un quadro definito dai soli processi chimici e fotochimici, le più importanti reazioni che concorrono a formare le molecole di ozono sono la fotodissociazione delle molecole di ossigeno e di biossido d'azoto ad opera della radiazione solare, con formazione di atomi liberi di ossigeno, e la ricombinazione di questi con molecole di ossigeno. Invece, i più forti processi di rimozione dell'ozono sono la fotodissociazione delle molecole di ozono da parte della radiazione solare, con formazione di atomi e molecole di ossigeno, e la ricombinazione di molecole di ozono con atomi liberi di ossigeno per formare molecole di ossigeno. Poiché le concentrazioni dei gas atmosferici diminuiscono esponenzialmente con l'altezza mentre l'intensità della radiazione solare aumenta al crescere dell'altezza, in quanto essa è sempre meno attenuata dall'atmosfera, esiste, ad ogni quota, ad ogni latitudine e ad ogni stagione, una particolare condizione di equilibrio dinamico tra numero di molecole di ozono che si formano e numero di molecole che sono rimosse nell'unità di tempo e nell'unità di volume. Conseguentemente, anche la quota, alla quale la concentrazione di ozono presenta un valore massimo, varia in funzione della latitudine e della stagione. Queste considerazioni sono valide se si considerano i soli processi chimici menzionati sopra, seguendo la teoria dell'equilibrio fotochimico. In realtà, numerosi altri processi di natura radiativa, termodinamica, fluidodinamica, chimica e fisica devono essere considerati. Tra questi vanno ricordati: la variabilità delle caratteristiche spettrali dell'intensità della radiazione solare incidente su diverse scale di tempo; la complessità dei meccanismi dinamici che regolano il quadro della circolazione stratosferica, determinando i flussi stagionali di trasporto di calore e di molecole di ozono prevalentemente dalle basse latitudini verso le regioni di più alta latitudine; la presenza di numerose altre specie chimiche alle varie quote stratosferiche (tra le quali vanno ricordati i diversi clorofluorocarburi e altri vari composti del cloro e del bromo, dell'azoto e dell'idrogeno) capaci di avviare una serie complessa di reazioni omogenee, che danno forma ad alcuni cicli catalitici che sono ritenuti responsabili di provocare, con grande efficacia, la ripetuta rimozione delle molecole di ozono e degli atomi liberi di ossigeno; la presenza nella stratosfera di strati di particelle di aerosol di origine vulcanica (come quelli generati qualche anno fa dall'eruzione del Pinatubo) e il formarsi sopra l'Antartide (nei mesi della notte polare) delle cosiddette "nubi polari stratosferiche", che favoriscono l'avvio di diverse reazioni eterogenee, sia sulle particelle di aerosol sia sui cristalli di ghiaccio di differente natura presenti nelle nubi, che concorrono a rimuovere l'ozono in misura assai rapida ed efficiente.

Questo quadro complesso di processi fisici e chimici presenta ancora numerosi punti oscuri per la comunità scientifica. Appare, dunque, necessario svolgere indagini approfondite su questi fenomeni, nelle varie regioni del nostro pianeta, in modo da riuscire a comprendere le cause e gli effetti. A tal fine, appare sempre più utile l'impiego di nuove tecnologie che permettono di trarre osservazioni sempre più accurate dei fenomeni che accompagnano le variazioni della composizione dell'atmosfera terrestre e danno forma alla struttura dello strato di ozono nelle varie stagioni e nelle diverse aree latitudinali. Per la rilevazione di gas minori atmosferici e di polidispersioni di particelle di aerosol in stratosfera, l'impiego di strumenti ottici è assai diffuso sia per effettuare misure di remote sensing, sia per ottenere osservazioni in situ: tra questi, vanno menzionati i radiometri e i fotometri solari, i radiometri a correlazione, gli spettrometri e gli interferometri, gli strumenti a chemiluminescenza ed a fluorescenza e le strumentazioni laser e LIDAR.

Alcune di queste metodologie sono sviluppate presso l'Istituto per lo Studio dei Fenomeni Fisici e Chimici della Bassa e Alta Atmosfera (Fisbat) del CNR di Bologna ed hanno portato e stanno portando alla realizzazione di strumenti e di tecnologie originali. Per quanto riguarda i metodi della fotometria solare multispettrale, sono stati sviluppati presso il Fisbat, negli ultimi venti anni, studi molto accurati, che hanno permesso, da una parte, di definire sempre più dettagliati metodi di analisi delle misure e, dall'altra, di progettare prototipi sempre più sofisticati di fotometro solare. La Figura 1 mostra l'ultimo modello di fotometro solare multispettrale chiamato ASP-15WL (Antarctic Sun Photometer 15 Wavelengths) progettato per lo studio delle proprietà radiative degli aerosol in Antartide. Con questo tipo di strumento, montato su un sistema di puntamento alt-azimuth, si possono effettuare misure di irradianza solare diretta e d'irradianza diffusa intorno al Sole, dalle quali si possono ricavare stime affidabili dei contenuti verticali di ozono, NO2 e vapore acqueo, e dei diversi valori monocromatici dello spessore ottico delle particelle di aerosol, nonché preziose informazioni sulle caratteristiche ottiche delle particelle di aerosol. Queste misure sono di grande utilità per lo studio degli effetti prodotti dalle particelle di aerosol sul clima e sull'ozono stratosferico, poiché si possono anche valutare i contenuti verticali di massa delle particelle di aerosol di origine vulcanica presenti in stratosfera, come si è fatto di recente per le particelle generate dall'eruzione del Pinatubo e presenti nell'area himalaiana, sopra il Laboratorio Piramide in Nepal (Progetto Strategico "Everest-K2-CNR"). Sempre nel campo della radiometria solare, si sta realizzando un nuovo radiometro per la misura della radiazione solare globale UV in arrivo al suolo entro intervalli spettrali molto stretti, scelti nell'intervallo di lunghezza d'onda da 280 a 400 nm. Questo strumento sarà utile nelle stazioni antartiche, per definire con grande precisione le caratteristiche spettrali della radiazione solare dannosa per il DNA, quando lo spessore dello strato di ozono è più sottile.