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Ozono

Generalità
L'ozono (O3), è un gas tossico di colore azzurro chiaro dall’odore leggermente pungente, costituito da molecole instabili formate da tre atomi di ossigeno. Queste molecole si scindono facilmente, liberando ossigeno molecolare (O2) ed un atomo di ossigeno estremamente reattivo. Per queste caratteristiche l’ozono è un energico ossidante, capace di reagire sia con materiali organici che inorganici.

Il suo peso molecolare è circa doppio rispetto a quello dell'aria ed assorbe fortemente la radiazione solare nella regione spettrale da 200 nm a 350 nm (ultravioletto) e più debolmente la radiazione attorno a 600 nm costituendo, quindi, un formidabile schermo di protezione per le temibili radiazioni ultraviolette (UV), pericolose per le forme di vita del nostro pianeta.

L’O3 è presente per più del 90% nella stratosfera (la fascia di atmosfera tra i 10 e i 50 km di quota) dove viene prodotto dall’ossigeno molecolare per azione dei raggi ultravioletti di provenienza solare. In particolare:

In definitiva questi processi sono in equilibrio dinamico e ciò fa sì che la concentrazione di O3 rimanga pressoché costante. Lo strato di stratosfera ricco di Ozono è in grado di schermare più del 90% delle pericolose radiazioni UV di provenienza solare, cosa che consente lo sviluppo della vita sulla superficie del nostro pianeta. Questa fascia di ozono benefico negli ultimi tempi si sta assottigliando (buco dell’ozono) a causa dell’aggressione all’O3 stratosferico prodotta da alcuni composti organici come i CFC (CloroFluoroCarburi).

Per effetto della circolazione atmosferica (in particolare per i moti convettivi verticali) l’O3 stratosferico viene in piccola parte trasportato nella più bassa troposfera, dove si forma anche a causa delle scariche elettriche durante i temporali.

Nella troposfera non vi sono emissioni significative di ozono di origine antropica e l'ozono presente è quasi totalmente di origine secondaria, il risultato cioè di una serie di reazioni, chimiche e fotochimiche che hanno luogo in aria tra i vari inquinanti primari precursori (in particolare ossidi di azoto ed idrocarburi) emessi dalle varie sorgenti al suolo, soprattutto urbane, (traffico autoveicolare, emissioni industriali, ecc.) in presenza di radiazione solare di opportuna intensità e lunghezza d’onda.

Per la sua origine secondaria, le zone di più probabile accumulo di tale inquinante sono le zone rurali, lontane dalle sorgenti che emettono ossidi di azoto. In ambiente urbano, invece, si nota un evidente ciclo giornaliero nella concentrazione di O3 e dei suoi precursori durante una tipica giornata estiva e soleggiata:

Le più alte concentrazioni di O3 si hanno quindi nei mesi più caldi (è necessaria una temperatura di almeno 18°C) e nelle ore di massimo irraggiamento solare (fra le ore 12 e 17). Nelle aree urbane o industriali (dove è forte la presenza di inquinanti primari) l’O3 si forma con grande rapidità, ma può essere trasportato da brezze anche in campagna e in aree rurali. Per questo l’inquinamento da ozono interessa intere regioni o nazioni e sono poco efficaci i provvedimenti locali o temporanei di limitazione del traffico e delle emissioni industriali.

Nelle aree non inquinate, le concentrazioni di fondo di O3 possono variare da circa 40 a 160 µg/m3 e ciò è dovuto essenzialmente al trasporto di ozono dall'alta troposfera, dalla stratosfera (20- 40 km) e da produzione locale provocata da irraggiamento solare (scarsamente significativa al livello del mare ma più significativa in quota, ad es. in montagna) e dalla presenza di idrocarburi di origine biologica (emessi dalla vegetazione).

Non sono rari anche casi di inquinamento fotochimico in aree rurali, a causa del trasporto degli inquinanti dovuto ai venti, dalle aree metropolitane e dalle zone ad alta industrializzazione. L’inquinamento da O3, quindi, non esplica i suoi potenziali pericoli solo all’interno di zone ad elevato inquinamento ma può rappresentare una criticità anche in zone potenzialmente non interessate direttamente da intense emissioni di inquinanti primari precursori.

Reazioni in atmosfera
L’ozono reagisce con i VOC (Composti Organici Volatili) e con gli ossidi di azoto NOx (NO + NO2) con reazioni alquanto complesse dando origine a radicali e a prodotti finali, anche altamente tossici quali i perossiacetilnitrati (PAN), in un processo noto come ciclo fotolitico i cui prodotti finali sono identificati genericamente con il nome di inquinanti fotochimici. La grande importanza attribuita all'inquinamento fotochimico dipende dal fatto che il tempo di permanenza dell'ozono nell'atmosfera (dell’ordine di qualche giornata) è lungo abbastanza da consentire la sua propagazione a grande distanza.

Il principale processo del ciclo fotolitico implica una fase di produzione ed una di rimozione dell'ozono da parte degli ossidi di azoto. Essa avviene nel modo seguente:

Se il ciclo fotolitico fosse isolato, l’ozono si troverebbe in condizioni di perenne equilibrio chimico.

Da quanto verificabile sperimentalmente, queste reazioni non sono sufficienti a spiegare le elevate concentrazioni di O3 osservate nelle aree urbane e quindi bisogna per forza considerare le complesse reazioni che coinvolgono anche i VOC e che sbilanciano l’insieme di reazioni sopra esposte. Schematicamente si può quindi descrivere il tutto come segue:

A causa della reazione terza, precedentemente illustrata, si ha l'impossibilità della coesistenza in grandi concentrazioni di O3 e di NO. La concentrazione di O3, se presente, tende a ridursi in vicinanza di sorgenti di NO, come strade ad alta densità di traffico.

Metodo di misura
La misura della concentrazione di ozono si basa sulla tecnica spettrofotometrica dell'assorbimento, da parte delle molecole di ozono, di radiazioni ultraviolette di lunghezza d'onda pari a 254 nm.

L’analizzatore di ozono sfrutta l’assorbimento di questo gas nell’UV a 254 nm e poi ne calcola la concentrazione mediante la legge di Lambert-Beer. Nella camera di misura entra in modo alternato aria ambiente tal quale ed aria ambiente preventivamente passata attraverso un filtro selettivo per l’ozono. Una lampada UV, in grado di emettere alla lunghezza d’onda appropriata, fa sì che parte della radiazione venga assorbita dalle molecole di ozono, causando una diminuzione di intensità che viene registrata da un detector. Dall’alternanza delle misure con e senza ozono, lo strumento ne determina la concentrazione in aria ambiente.