Il buco dell’ozono sopra l’Antartide quest’anno ha raggiunto dimensioni che non si vedevano da 15 anni. Come mai? Ma come si forma questo “buco nell’ozono”? Perché si parla soprattutto del buco sopra il Polo Sud e molto meno di quello sopra il Polo Nord?

Cosa è l’ozono?

L’ozono è un gas, la cui molecola è costituita da tre atomi di ossigeno. Si tratta di un gas raro, molto reattivo e instabile: se non viene continuamente rigenerato le sue molecole si scompongono rapidamente in molecole biatomiche di ossigeno, andando a formare il “normale” ossigeno. L’ozono reagisce chimicamente in modo alquanto efficace con molte sostanze, ossidandole. Per questo motivo l’ozono, quando è presente nell’aria che respiriamo, viene considerato dannoso per la salute umana. Da qui le misure di protezione dell’aria volte a limitare le concentrazioni di ozono, ad esempio durante le calde e soleggiate giornate estive. Quando invece l’ozono si trova nella stratosfera, a quote comprese fra 11 e 50 km sopra le nostre teste, l’ozono ha un effetto benefico. Infatti l’ozono stratosferico è in grado di assorbire la radiazione UV-B proveniente dal Sole, che è particolarmente dannosa per la pelle dell’uomo.

La medesima sostanza, l’ozono, è dunque sia benefica, quando si trova nella stratosfera, sia dannosa, quando si trova nella troposfera, in prossimità del suolo. Quanto si parla di “buco dell’ozono” parliamo dell’ozono che si trova nella stratosfera, sopra il Polo Sud.

Un buco in un gas? Ma siamo seri?

Apparentemente l’idea che si crei un buco in un gas sembra a prima vista un po’ strana. Vediamo di capirci e spieghiamo di cosa si tratta.

Nell’atmosfera terrestre l’ozono è presente in concentrazioni diverse sull’intera colonna d’aria, dal terreno allo spazio interplanetario. Il massimo della concentrazione di ozono si trova nella stratosfera attorno ai 30 km di quota. Quando si misura la sua presenza nell’atmosfera, il contributo maggiore proviene proprio da questo quota. 

La misura di quanto ozono è presente nell’atmosfera viene fatta in modo indiretto, misurando l’intensità dei raggi UV che raggiungo il suolo, più ozono è presente, più raggi sono assorbiti e meno ne arrivano alla superficie terrestre. L’unità di misura utilizzata per esprimere la quantità di ozono presente sull’intera colonna d’aria è il Dobson (DU), chiamata così in onore di Gordon Dobson, fisico e meteorologo britannico, pioniere nella ricerca sull’ozono. 100 DU corrispondono a uno straterello di 1 mm di ozono pure, alle condizioni di pressione e temperatura standard. Si, parliamo proprio di 1 mm ! Come detto l’ozono è un gas raro, presente in quantità minime nell’atmosfera, ma comunque in quantità sufficienti per avere un impatto importante nei processi naturali.

Tipicamente nella colonna d’aria sopra le regioni polari si misura una quantità di ozono pari a circa 300 DU, a volte sopra il Polo Nord si superano i 400 DU. Quando dalle misurazioni si ottengono dei valori inferiori ai 220 DU, si parla, metaforicamente, di “buco dell’ozono”. Ciò avviene da alcuni decenni sopra le regioni polari, alla fine del lungo inverno. Vale dire quando i raggi del Sole incominciano a ritornare a raggiungere la stratosfera al termine della notte polare. L’arrivo della radiazione solare innesca una serie di processi chimici che portano alla distruzione di una parte dell’ozono presente nella stratosfera. Questi processi chimici avvengono sulla superficie di particolari nuvole che si trovano a queste quote, le cosiddette nuvole stratosferiche polari (PSC – polar stratospheric clouds).

Sulla superficie dei cristallini che compongono queste particolari nuvole avvengono diverse reazioni chimiche che portano alla liberazione di molecole di cloro. L’origine del cloro nella stratosfera è da ricondurre ai clorofluorocarburi (CFC) utilizzati fino ad alcuni anni fa in numerosi ambiti (bombolette spray, impianti di refrigerazione, frigoriferi, …). Le molecole di cloro sono rotte dalla radiazione UV che arriva dal Sole e i singoli atomi di cloro reagiscono a loro volta con l’ozono portando alla rottura della molecola di ozono. Le reazioni chimiche, appena descritte sommariamente, sono particolarmente efficaci solo se avvengono a temperature molto basse (inferiori o uguali a -78 °C). Queste temperature si verificano solo durante il periodo invernale. D’altra parte però in questo periodo vi è ben poca radiazione solare. Per questo il momento di massima efficacia delle reazioni che portano alla distruzione dell’ozono (e in parallelo al massimo sviluppo del buco dell’ozono) è al termine della notte polare: è sufficientemente freddo e ricomincia ad arrivare abbastanza radiazione solare.

Un vortice, polare e molto molto freddo.

Durante l’inverno polare la stratosfera sopra le regioni polari si raffredda notevolmente per l’assenza della radiazione solare. La pressione in quota tende perciò a diminuire sopra queste regioni, mentre nelle alle medie latitudini ciò non avviene (o avviene in misura minore). In quota si creano in questo modo delle importanti differenze di pressione orizzontale che, complice la rotazione terrestre, portano allo sviluppo di sostenute correnti occidentali (attorno al Polo Nord) o orientali (attorno al Polo Sud). Nasce quello che è chiamato il vortice polare, una robusta area depressionaria in quota centrata sulle regioni polari. Il vortice polare è alquanto stabile e l’aria al suo interno rimane di fatto confinata. Gli scambi con l’aria esterna al vortice polare (aria dunque che si trova a media latitudine) sono molto limitati per non dire assenti. L’aria intrappolata all’interno del vortice polare, non mischiandosi con quella al suo esterno, può raffreddarsi indisturbata giorno dopo giorno.

Il vortice polare sopra il Polo Sud è generalmente più robusto e stabile dell’equivalente vortice polare sopra il Polo Nord. Per questo motivo la stratosfera sopra il Polo Sud può raffreddarsi maggiormente sopra l’Antartide che non sopra l’Artide. Per questo motivo in genere il buco dell’ozono sopra il Polo Sud è più esteso, profondo e più frequente, rispetto al buco dell’ozono sopra il Polo Nord. La robustezza e la stabilità del vortice polare è influenzata anche dalla ripartizione delle terre emerse nelle regioni polari. Al Polo Sud le terre emerse sono distribuite in modo abbastanza omogeneo attorno al Polo stesso. Al Polo Nord la distribuzione fra terre emerse e distese d’acqua è tale da dar vita a correnti d’aria che vanno a interagire (disturbandolo) con il vortice polare, che fa così più fatica a svilupparsi e a mantenersi stabile.

Con il passare dei giorni, avanzando la primavera, l’intensità della radiazione solare diventa sempre più forte. La stratosfera si riscalda sempre più, la differenza di pressione in quota fra zone polari e le medie latitudini si indebolisce. Aumentano anche i moti turbolenti che portano ad un rimescolamento dell’aria presente all’interno del vortice polare (povera di ozono), con quella più ricca presente all’esterno del vortice. Il buco dell’ozono inizia così a richiudersi.

Il buco dell’ozono negli anni scorsi

Responsabili per la distruzione dell’ozono stratosferico sono soprattutto i CFC, la cui produzione è stata messa al bando con il Protocollo di Montreal nel 1987. Poiché però sono delle sostanze estremamente stabili e apparentemente inerti (e proprio questa sua caratteristica ebbero una forte diffusione) la loro concentrazione nell’atmosfera diminuisce solo lentamente.

Oltre alle concentrazioni di CFC, di anno in anno, sono le condizioni meteorologiche specifiche di quell’anno che determinano l’estensione finale del buco dell’ozono. Nell’inverno australe 2020, che si è appena concluso, esse hanno favorito lo sviluppo di un esteso buco dell’ozono. Il vortice polare si è sviluppato in modo importante e la stratosfera si è raffreddata notevolmente (si veda anche la curva rossa nel grafico sopra, riferito allo spessore dell’ozono sopra il Polo Sud).

Lo scorso anno, nel 2019, il buco dell’ozono sopra l’Antartide è stato molto più piccolo di quello registrato nel 2020. Lo scorso anno il vortice polare fu disturbato a seguito di un evento denominato “riscaldamento improvviso della stratosfera”. Le reazioni chimiche descritte in precedenza, che portano alla distruzione dell’ozono stratosferico, si svilupparono solo in parte e in modo poco efficiente. Di conseguenza la distruzione dell’ozono fu molto limitata. Un simile evento di riscaldamento stratosferico non avviene però ogni anno (sopra l’Artide avviene in media una volta ogni due anni).

Anche sopra l’Artide quest’anno si è sviluppato un importante buco dell’ozono. Il vortice polare nell’inverno 2019/2020 è stato inusualmente forte, e di conseguenza la stratosfera sopra il Polo Nord poté raffreddarsi molto. Queste condizioni meteorologiche furono favorevoli allo sviluppo di un esteso buco nell’ozono (si veda anche la curva blu nel grafico sopra, riferito allo spessore dell’ozono sopra il Polo Nord).

Se volete approfondire le vostre conoscenze sul buco dell’ozono, si trova diverso materiale su Internet. Ad esempio https://www.scienceinschool.org/it/2010/issue17/ozone 

Ufficio federale di meteorologia e climatologia MeteoSvizzera