La storia dell’ozono inizia nel 1840, quando il chimico svizzero-tedesco C. F. Sch¨onbein comprese che l’odore sprigionato dall’elettrolisi dell’acqua o dal passaggio di scintille elettriche attraverso l’ossigeno non era dovuto all’elettricità, ma alle proprietà di una sostanza prodotta durante il processo elettrico. Fu da tale scoperta che Schonbein chiamò questa sostanza ozono (da “ozein”, parola greca per“odore”).
L’identificazione dello strato di ozono presente in stratosfera `e invece da attribuirsi ai fisici francesi C. Fabry e H. Buisson, i quali dedussero con un doppio spettrografo che la quantità  totale di ozono nell atmosfera  era equivalente ad uno strato di circa 5 mm di spessore ai valori standard di temperatura e pressione(Tstandard = T0 = 0 ‰, pstandard = p0 = 1013 hPa).
Le proprietà dell’ozono sono state esplorate più in dettaglio dal meteorologo britannico G. M. B. Dobson nel 1920, il quale inventò un nuovo strumento, uno spettrofotometro con il quale poteva misurare l’ozono stratosferico da terra, e tra il 1928 e il 1958 istituì una rete mondiale di stazioni per il monitoraggio dell’ozono, che continuano a funzionare tutt’oggi. L’Unità Dobson (DU), chiamata così in suo onore, `e l’unità di misura della colonna di ozono, corrispondente cioè allo spessore, espresso in centesimi di mm, che si otterrebbe concentrando tutto l’ozono contenuto in una colonna verticale atmosferica che si estende dalla superficie terrestre fino all’apice dell’atmosfera in uno strato  all’altezza del suolo, a condizioni standard di temperatura e pressione. Ad esempio, 100 DU di ozono corrispondono ad uno strato dello spessore di un millimetro; la quantità totale di ozono presente alle latitudini temperate `e mediamente pari a circa 350 DU.
Si ha anche che 1 DU = 2.69×1016 molecole/cm2 = 4.47×10−4 mol/m2
.Contemporaneamente a questi progressi, molti chimici sono stati attivamente impegnati in misure di laboratorio e studi specifici volti a comprendere la struttura e le proprietà della molecola di ozono, in particolare la sua decomposizione termica e  fotochimica.
I  meccanismi  fotochimici alla base della formazione dell’ozono sono stati studiati fin dall’inizio del 1900 da Dobson e dal geofisico britannico   S. Chapman, il quale propose nel 1930 il cosiddetto Ciclo di Chapman, in grado di spiegare i processi che danno luogo allo strato di ozono, l’inversione termica e il filtro dei raggi UV-C e UV-B in stratosfera.
Nell articolo sopra postato, ho descritto in linea generale la storia dell ozono. Tuttavia molti si chiederanno in che modo l ozono va ad influire sul vortice polare ? Dato che l ozono si forma nelle aree tropicali, in che modo viene trasferito dai tropici alle regioni polari?

Lo strato di ozono stratosferico è formato da un velo sottile di gas ozono che si estende da circa 10 km a circa 40 km sopra la superficie terrestre. La concentrazione di ozono è massima a circa 20 km sul suolo e la stratosfera contiene approssimativamente il 90% dell’ozono presente nell’atmosfera, mentre il restante 10% si trova nella troposfera. L’ozono viene prodotto nella parte superiore della stratosfera  dalle radiazioni a onde corte (<190 nm) provenienti dal sole. Tali radiazioni di energia sono in grado di scindere le molecole di ossigeno (O2) in ossigeno atomico (O). L’ossigeno atomico è molto reattivo e si combina rapidamente con le molecole di ossigeno, formando ozono (O3). Le radiazioni ultraviolette con lunghezze d’onda leggermente maggiori (<280 nm) possono nuovamente scindere la molecola di ozono in ossigeno molecolare e atomico, cosicché si instaura un equilibrio dinamico fra produzione e perdita di ozono. La maggior parte dell’ozono nella stratosfera viene prodotto sopra i tropici , dove il sole è più intenso.
Le grandi correnti d’aria trasportano l’ozono verso i poli, con maggior efficienza nel tardo inverno e in primavera. L’ozono totale (la quantità di ozono in una colonna che si estende dal terreno al limite superiore dell’atmosfera) raggiunge pertanto il livello massimo in primavera e il minimo nel tardo autunno. In genere, l’ozono totale viene misurato in unità Dobson (DU). Uno spessore dello strato di ozono di 300 DU significa  che lo strato di ozono avrebbe uno spessore di 3 mm se fosse composto da ozono puro alla pressione di 1 atm.

Il trasporto di ozono dalle regioni tropicali a quelle polari avviene tramite la Brewer-Dobson circolation (BDC)

Prima di descrivere questa circolazione, analizziamo la storia della sua scoperta.

La storia della scoperta della circolazione della Brewer-Dobson è un grande esempio di quanto possa essere cruciale l’ambiente storico al momento della scoperta. Brewer, che lavorava per l’U.K. Met Office (con supervisione di Dobson) durante la seconda guerra mondiale, si occupò di indagare sul perché gli aerei d’alta quota non lasciassero tracce di condensa, anche se le tracce erano previste in base agli studi disponibili all’epoca. Comprensibilmente, le scie di condensazione erano un fenomeno indesiderato che rivelava al nemico le traiettorie di volo. Ciò di cui Brewer aveva bisogno erano misurazioni accurate della temperatura e del punto di congelamento all’altitudine di volo, parametro che si rivelò particolarmente complesso.Brewer alla fine riuscì ad ottenere misure abbastanza accurate e ricorda: “… siamo riusciti ad arrivare nella stratosfera. Con mia grande sorpresa, quando la temperatura si alzò, il punto di congelamento si abbassò, e ai livelli più alti non riuscii ad individuare alcuna traccia … era chiaro che la ragione per cui non c’erano scie [di condensa] nella stratosfera era che l’aria si presentava estremamente secca. Non avrei mai creduto prima di iniziare che l’aria potesse essere così secca, ma l’ho visto con i miei occhi. Ho avuto un sacco di problemi con le persone per convincerle che potevamo davvero misurare quella secchezza”. Queste osservazioni sono state presentate da Dobson nella sua conferenza bakeriana del 1945 alla Royal Society.Brewer elaborò in seguito un’ingegnosa “previsione”/interpretazione di questa secchezza osservata alle medie latitudini (Brewer 1949): concluse che “… la secchezza è mantenuta da una lenta circolazione dell’aria in cui l’aria sale all’equatore, si muove verso la stratosfera, e poi scende nella troposfera nelle regioni temperate e polari…”. Egli ha quindi descritto essenzialmente quella che oggi chiamiamo la circolazione Brewer-Dobson.È interessante notare che Dobson descrisse la possibilità dell esistenza di tale circolazione già nel 1929, sulla base delle misurazioni della colonna dell’ozono (Dobson et al. 1929):”L’unico modo in cui possiamo conciliare l’alta concentrazione di ozono osservata nell’Artico in primavera e la bassa concentrazione ai tropici … sarebbe quello di ipotizzare la presenza di una generale lenta deriva polare nell’atmosfera più alta con una lenta discesa dell’aria vicino ai poli …”. Tuttavia, Dobson abbandonò questa possibilità (non aveva profili di ozono verticali che gli avrebbero fornito prove molto più chiare), e rimase molto dubbioso sul fatto che una tale circolazione potesse realmente esistere. Questo fino alla fine degli anni ’50.Non trascorse molto tempo prima che la circolazione della Brewer-Dobson avesse un vero e proprio impatto sulla società. I residui radioattivi provenienti dai test nucleari effettuati dagli Stati Uniti nel Pacifico tropicale, anche se depositati nella stratosfera tropicale e che si credeva rimanessero nella stratosfera per molti anni, riuscirono ad arrivare tramite la circolazione sopra descritta fino alla troposfera, dove si mescolarono rapidamente con l aria in superficie (come era stato predetto da Brewer).A destra: Sezione trasversale dell’ozono dai dati satellitari che mostrano chiaramente l’accumulo di ozono nella stratosfera inferiore a causa della circolazione della Brewer-Dobson (dal rapporto speciale IPCC/TEAP, 2005).

Con l articolo sopra sono andato a descrivere in maniera sintetica la scoperta della Brewer-Dobson circulation (BDC). Sintetizzando il tutto, la BDC, così chiamata per i suoi scopritori Brewer e Dobson, è una lenta circolazione emisferica agente a quote stratosferiche e disposta lungo i meridiani. Tale circolazione è responsabile del movimento di particelle d’aria dalle regioni equatoriali sino alle regioni polari ed è maggiormente attiva nell’emisfero nord. In particolare detta circolazione è caratterizzata da moti ascendenti nelle regioni equatoriali e da moti discendenti nelle zone extratropicali (soprattutto polari nell’emisfero boreale). L’azione della BDC produce alcuni effetti fondamentali:

1) grazie al trasporto verticale e meridionale delle specie chimiche, tra cui principalmente l’ozono, la BDC influenza enormemente la chimica dell’atmosfera polare. Il trasporto di ozono verso il polo nord ricompre, tra le altre cose, una grande importanza per le sorti della seconda parte dell’inverno (metà gennaio in avanti), in quanto, con l’arrivo sul polo della prima radiazione solare, l’ozono presente assorbe la maggior parte della radiazione solare ultravioletta e la restituisce sotto forma di calore, favorendo lo sviluppo di fenomeni di riscaldamenti stratosferici  e rendendo il VPS più debole;

• i moti verticali associati alla BDC hanno conseguenze importanti nella distribuzione delle temperature nella stratosfera. Addirittura, a causa dell’azione della BDC, la tropopausa tropicale è la regione più fredda nella troposfera e stratosfera. Questo perché l’aria in risalita ai tropici si raffredda per espansione adiabatica, portando le temperature tropicali della bassa stratosfera ben al di sotto della temperatura di equilibrio radiativo locale. A tal proposito, poiché la BDC è più forte durante l’inverno boreale, la forza della risalita d’aria (upwelling) nei tropici, e quindi la bassa temperatura della tropopausa tropo-equatoriale, presenta un ciclo annuale, con valori record durante l’inverno boreale. Al contrario, nella regione polare, l’aria discendente si riscalda per compressione adiabatica, portando le temperature nella stratosfera polare a diverse decine di gradi sopra l’equilibrio radiativo locale. Quest’ultima circostanza favorisce il riscaldamento ed una maggiore “instabilità” della stratosfera polare anche nelle prime fasi dell’inverno.

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