Lo strato di ozono è uno strato della stratosfera terrestre situato tra i quindici e i trentacinque chilometri sopra la superficie terrestre, che assorbe le radiazioni ultraviolette (UV) del sole.
Lo strato di ozono impedisce a gran parte di queste radiazioni UV nocive di raggiungere la superficie terrestre e di danneggiare la vita di piante e animali. Infatti, riesce a bloccare tra il 97 e il 99% delle radiazioni UV di media frequenza provenienti dal sole, con una lunghezza d'onda compresa tra 200 e 315 nm. Lo strato di ozono deve il suo nome al fatto di contenere una percentuale più elevata di particelle di ozono (O3) rispetto ad altre zone dell'atmosfera. Tuttavia, questo numero è ancora solo di circa 10 parti per milione.
Figura 1. Un diagramma che mostra i diversi strati dell'atmosfera terrestre. commons.wikimedia.org
Che cos'è l'assottigliamento dell'ozono?
Ogni primavera, lo strato di ozono sopra l'Antartide si assottiglia drasticamente. Questo assottigliamento è definito impoverimento dell'ozono ed è causato dalla rapida degradazione delle particelle di ozono nella stratosfera. Sebbene lo strato di ozono fluttui naturalmente in dimensioni e spessore, l'attività umana è stata responsabile del suo sostanziale declino nel XX secolo.
Come si crea e distrugge l'ozono?
Quando una molecola di ossigeno viene colpita dalla luce UV, si divide in due molecole attraverso un processo chiamato fissione omolitica.
La fissione omolitica è un tipo di rottura del legame in cui una molecola si divide in due e ciascuno dei frammenti mantiene uno degli elettroni della coppia di legami originale. È nota anche come emolisi.
Queste molecole sono entrambe radicali liberi.
Un radicale libero è un atomo o un gruppo di atomi con un elettrone spaiato. Sono estremamente reattivi e tendono ad avere una vita breve, semplicemente perché reagiscono così rapidamente con altre specie.
Uno di questi radicali liberi reagisce poi con un'altra molecola di ossigeno, formando l'ozono. Le equazioni sono riportate di seguito:
Figura 2. Equazioni che mostrano la formazione dell'ozono
L'ozono può essere distrutto naturalmente anche dai raggi UV. La reazione di cui sopra si inverte, scomponendo l'ozono in una molecola di ossigeno e in un radicale libero di ossigeno:
Figura 3. Un'equazione che mostra la ripartizione dell'ozono.
Lo strato di ozono ha un equilibrio naturale, il che significa che le particelle di ozono vengono continuamente create e distrutte a un ritmo uguale. Tuttavia, l'attività umana altera l'equilibrio, esaurendo i livelli di ozono stratosferico più velocemente di quanto possano essere sostituiti.
In che modo i CFC causano l'assottigliamento dell'ozono?
I clorofluorocarburi (CFC) sono alogenuri alchilici contenenti solo atomi di carbonio, cloro e fluoro.
Un esempio di CFC è il triclorofluorometano CCl3F:
Figura 4. Triclorofluorometano. Si nota come contenga tre atomi di cloro e uno di fluoro. Fonte: commons.wikimedia.org
L'ingegnere americano Thomas Midgley introdusse i CFC negli anni Trenta. Si diffusero rapidamente come componenti di frigoriferi, aerosol e solventi per il lavaggio a secco e furono apprezzati per la loro bassa tossicità, infiammabilità e reattività. Quando abbiamo iniziato a utilizzare un numero sempre maggiore di CFC in un'ampia gamma di prodotti, questi sono inevitabilmente fuoriusciti nell'ambiente e i livelli atmosferici di CFC sono aumentati. Questo è diventato un problema. Essendo poco reattivi, i CFC possono attraversare l'atmosfera per anni senza scomporsi e alla fine raggiungono la stratosfera. Lì vengono scissi dalla luce UV per formare radicali liberi di cloro, anche per fissione omolitica.
In che modo i radicali del cloro causano l'assottigliamento dell'ozono?
Come tutti i radicali, i radicali liberi del cloro sono estremamente reattivi. Reagiscono con le particelle di ozono nella stratosfera, scomponendole in molecole di ossigeno. Le equazioni sono riportate di seguito:
Figura 5. Equazioni che mostrano la degradazione dell'ozono da parte dei radicali liberi del cloro.
Questa reazione rigenera il radicale libero cloro in modo che il processo possa continuare. È un esempio di reazione a catena.
Le reazioni a catena sono un tipo di reazione chimica. Uno dei loro prodotti o sottoprodotti provoca un'ulteriore reazione, creando una serie continua di reazioni.
In che modo l'attività umana causa la riduzione dello strato di ozono?
Nel corso del XX secolo, l'uomo ha utilizzato e smaltito molti frigoriferi, aerosol e altri prodotti contenenti CFC. Ciò ha aumentato la concentrazione di CFC nello strato di ozono e quindi la produzione di radicali di cloro. Questi radicali hanno distrutto rapidamente l'ozono nello strato di ozono, fino a quando il tasso di esaurimento è diventato troppo alto per bilanciare l'equilibrio naturale. I livelli delle particelle di ozono sono diminuiti, soprattutto sopra il polo sud, formando aree di copertura sottile, inefficaci a fermare le radiazioni UV dannose che raggiungono la superficie terrestre. Queste radiazioni UV rappresentano un grande rischio per la salute dell'uomo e del pianeta Terra. Ad esempio, i raggi UV possono:
- Causare danni al DNA e mutazioni, portando a tumori mortali.
- Causare cataratta e ustioni cutanee nell'uomo e in altri animali.
- Danneggiare il fitoplancton.
- Ostacolare la fotosintesi nelle piante.
Alternative ai CFC
Un accordo globale chiamato Protocollo di Montreal ha vietato i CFC in molti Paesi a metà degli anni '90 e da allora sono state sviluppate delle alternative. Queste includono gli idroclorofluorocarburi (HCFC) e gli idrofluorocarburi (HFC).
Figura 6. Un esempio di HCFC, a sinistra, e di HFC, a destra.
Gli HCFC sono meno stabili dei CFC e quindi rilasciano i loro atomi di cloro più in basso nell'atmosfera, dove la percentuale di particelle di ozono da abbattere è inferiore. Tuttavia, una percentuale significativa di HCFC raggiunge comunque la stratosfera. Per questo motivo, gli HFC possono essere un'alternativa migliore. Essi contengono solo fluoro, idrogeno e atomi di carbonio e non hanno cloro che si trasforma in radicali liberi. Tuttavia, sono potenti gas a effetto serra e quindi sono dannosi per la Terra in un altro modo altrettanto preoccupante: contribuendo al cambiamento climatico.
Assottigliamento dell'ozono - Punti Chiave
Lo strato di ozono è uno strato della stratosfera che assorbe la maggior parte delle radiazioni UV del sole. Contiene una percentuale più elevata di particelle di ozono rispetto ad altre zone dell'atmosfera.
Le particelle di ozono vengono continuamente create e distrutte in un equilibrio naturale.
I clorofluorocarburi sono molecole contenenti solo cloro, fluoro e carbonio e sono responsabili della creazione di buchi nello strato di ozono. Lo fanno rompendo le molecole di ozono più velocemente di quanto possano essere ripristinate dall'equilibrio terrestre.
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