Il buco nell’ozono. Breve escursione nella chimica dell’atmosfera

La funzione “filtro” dell’ozono.
Si legge da tutte le parti che l’inquinamento ambientale, ed in particolar modo quello di origine antropica, provoca numerosi problemi ai vari comparti ambientali. Uno di questi è l’aria la cui composizione, negli strati più elevati, vede la presenza di una molecola che prende il nome di ozono.
L’ozono è una forma allotropica dell’ossigeno. In altre parole, l’ossigeno si può trovare sia sotto forma di molecola biatomica (O2) che di molecola triatomica (O3). E’ questa ultima forma di ossigeno a cui si dà il nome di “ozono” la cui struttura, per i più curiosi, è descritta nel riferimento [1].
La presenza dell’ozono negli strati alti dell’atmosfera è molto importante perché questa molecola è in grado di “intercettare” le radiazioni ultraviolette (RUV) proteggendoci dai loro effetti deleteri [2]. Sotto il profilo chimico, la reazione di “schermatura” da parte dell’ozono è:

O3 + RUV → O + O2                                                       (1)

In altre parole si forma un atomo di ossigeno eccitato ed una molecola di ossigeno. Il primo può ricombinarsi col secondo per riformare l’ozono (reazione (2)), oppure può reagire con un’altra molecola di ozono per formare ossigeno molecolare (reazione (3)):

O + O2 → O3                                                                       (2)

O + O3 → 2O2                                                                    (3)

L’inquinamento come causa della riduzione dell’ozono atmosferico
Come si intuisce, in sistemi non perturbati (come per esempio in assenza di contaminazione) le reazioni (1)-(3) assicurano il corretto apporto di ozono per evitare gli effetti delle radiazioni UV [2]. Nel momento in cui un certo tipo di contaminanti (che tecnicamente possiamo indicare come “catalizzatori”) viene in contatto con l’ozono, le reazioni (1)-(3) subiscono delle “alterazioni” legate al fatto che viene inibita la reazione (2) con incremento della quantità di ossigeno molecolare che non viene più trasformato in O3. La conseguenza è l’assottigliamento progressivo dello strato di ozono atmosferico che, giornalisticamente parlando, è conosciuto come “buco nell’ozono”. L’insieme delle reazioni che trasformano l’ozono in ossigeno molecolare in presenza di un generico contaminante (indicato con X) è:

X· + O3 → XO +O2                                                        (4)

XO + O → X· +O2                                                           (5)

X· è un radicale libero [3], ovvero un sistema molto reattivo che ha come caratteristica quella di avere un elettrone spaiato. La somma delle reazioni (4) e (5) dà la reazione (6) che consente di dire che l’azione di X· è quella di incrementare la quantità di ossigeno mediante l’inibizione della reazione (2), ovvero la riconversione in ozono, con conseguente assottigliamento dello spessore dello strato di ozono nell’atmosfera:

O3 + O → 2O2                                                               (6)

 I precursori dei radicali liberi
Alcuni precursori dei radicali coinvolti nelle reazioni (4) e (5) grazie ai quali si genera l’assottigliamento dello strato di ozono sono metano (CH4), acqua (H2O), protossido di azoto (N2O, meglio conosciuto come gas esilarante), o i famigerati clorofluorocarburi (CFC).
Metano ed acqua reagiscono con l’ossigeno atomico eccitato ottenuto nella reazione (1) per formare radicali ossidrili (OH·), ovvero i “catalizzatori” indicati con X nelle reazioni (4) e (5), secondo le reazioni (7) e (8):

O + CH4 → OH· + CH3                                              (7)

O + H2O → 2 OH·                                                        (8)

Sostituendo i radicali ossidrili alle X delle reazioni (4) e (5) si completa lo schema reattivo che porta alla degradazione dell’ozono in ossigeno molecolare.
Il ruolo del protossido di azoto è descrivibile con lo schema di reazioni da (9) a (11):

O + N2O → 2 NO·                                                      (9)

NO· + O3 → NO2 · + O2                                          (10)

NO2 · + O → NO· + O2                                             (11)

Infine i clorofluorocarburi come il CF2Cl(una volta usati come liquidi refrigeranti come per esempio nei frigoriferi) reagiscono come indicato nelle reazioni da (12) a (15)

CF2Cl2 + RUV → CF2Cl∙ + Cl∙                           (12)

Cl∙ + O3 → ClO∙ + O2                                             (13)

ClO∙ + O∙ → Cl∙ + O2                                              (14)

CF2Cl∙ + O2 → CF2O + ClO∙                               (15)

Questi appena descritti sono solo alcuni esempi di precursori dei radicali coinvolti nella degradazione dell’ozono atmosferico. Molti altri, con meccanismi più dettagliati che sono al di là dello scopo di una nota divulgativa su un bolg, sono riportati nelle letture consigliate.
Nuove ipotesi in merito alla degradazione dell’ozono atmosferico
Recentemente [4] è stato proposto un meccanismo alternativo per l’azione dei CFC nella degradazione dell’ozono. In particolare, l’acqua sotto forma di minuscoli cristalli di ghiaccio sospesi in atmosfera, interagisce con la radiazione cosmica, ovvero la luce solare, generando elettroni solvatati (e-) che rimangono assorbiti sulla superficie solida (Figura 1) secondo la reazione (16):

H2O + radiazione cosmica → e- + H3O+ + OH·     (16)

Gli elettroni solvatati reagiscono con i clorofluorocarburi assorbiti sulla superficie dei cristalli di ghiaccio per formare CF2Cl∙ e Cl∙ che poi innescano le reazioni riportate in (13)-(15)

Figura 1. Esempio di elettroni solvatati assorbiti su una superficie solida
L’ozono fa bene?
Alla luce di tutto quanto scritto si potrebbe pensare che siano tutte rose e fiori, ovvero che l’ozono apporti benefici all’essere umano. In realtà, non è così. Quanto appena analizzato in modo sommario ci informa che l’ozono è utile per impedire che raggi dannosi per la salute umana possano arrivare alla superficie terrestre. Noi ci siamo evoluti nel modo in cui ci presentiamo anche grazie al fatto che un “ombrello” fatto di ozono ha impedito ai raggi ultravioletti di una certa intensità di arrivare negli strati più bassi dell’atmosfera. Come si sarebbe evoluta la vita se questi raggi non fossero stati schermati? Non è dato saperlo e, comunque, la scienza non si fa con le ipotesi assurde. Resta il fatto che è grazie alla protezione offerta dall’ozono che la vita si presenta come la conosciamo. Da tutto quanto scritto si intuisce anche che l’ozono è una molecola reattiva ed in effetti i suoi effetti sulla salute umana si possono riassumere come segue:
“Concentrazioni relativamente basse di Ozono provocano effetti quali irritazioni alla gola ed alle vie respiratorie e bruciore agli occhi; concentrazioni superiori possono portare alterazioni delle funzioni respiratorie ed aumento della frequenza degli attacchi asmatici” [5].
L’Ozono, infine, “è responsabile anche di danni alla vegetazione e ai raccolti, con la scomparsa di alcune specie arbore dalle aree urbane. Alcune specie vegetali particolarmente sensibili alle concentrazioni di Ozono in atmosfera vengono oggi utilizzate come bioindicatori della formazione di smog fotochimico” [5].
Riferimenti
Letture consigliate ed approfondimenti

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