Ecco come la Terra respira: la NASA interessata all'ozono

In questo articolo analizzeremo le missioni in programma e i risultati ottenuti dalla NASA nello studio della concentrazione di ozono nell'atmosfera.

Ecco come la Terra respira: la NASA interessata all'ozono
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Sono ormai quasi trent'anni che la NASA conduce studi orientati all'analisi della qualità dell'aria che respiriamo, e più in generale al sottile strato di gas che avvolge il pianeta Terra.
In questi anni l'agenzia spaziale ha raccolto ed analizzato una enorme quantità di dati con l'obiettivo di comprendere a fondo le meccaniche che si celano dietro al cambiamento climatico e all'inquinamento atmosferico. In questo articolo analizzeremo alcuni di questi dati, con un cenno alle missioni attualmente in corso e a quelle che verranno lanciate nel prossimo futuro.

L'agente inquinante

Quando parliamo di "inquinamento atmosferico" ci riferiamo a sostanze chimiche o particelle che vengono rilasciate nell'atmosfera e che hanno effetti negativi sulla salute per l'uomo. Il Clean Air Act del 1970 ha stabilito una legislazione che prevede il tracciamento di sei di questi agenti inquinanti: biossido di azoto (NO2), ozono a livello del suolo, monossido di carbonio, particolato (grossomodo dei microscopici granelli di materiale solido o liquido), biossido di zolfo e piombo.
In questo periodo storico l'umanità tutta sta percependo in maniera indiretta gli effetti della sua attività sull'ecosistema naturale: in maniera indiretta perché anziché osservare i danni, sta osservando i benefici derivati dalla cessazione dell'attività umana. Acque dei fiumi che tornano al loro cristallino colore originario, coltre di smog svanite dalle città e delfini avvistati in luoghi una volta impensabili, giusto per citare qualche esempio.

Fortunatamente, molti dei satelliti che osservano la Terra possono captare ciò che l'occhio umano non può vedere, compresi gli inquinanti potenzialmente dannosi presenti nell'aria che respiriamo. Dal loro punto di vista privilegiato (dallo spazio), questi satelliti aiutano a misurare e tracciare l'inquinamento atmosferico mentre si sposta in tutto il mondo.
Nell'analizzare i dati provenienti una cosa è chiara: ridurre le emissioni delle attività umane può avere un profondo effetto sulla qualità dell'aria.

La recente risposta della Cina alla pandemia di COVID-19, caratterizata da una forte quarantena e limitazioni alle attività industriali e ai viaggi, ne è un esempio particolarmente vivido. I dati provenienti da strumenti del satellite AURA della NASA e dai satelliti Sentinel-5 dell'Agenzia spaziale europea (ESA) hanno mostrato una significativa riduzione del biossido di azoto (NO2) - un gas nocivo emesso da centrali elettriche, impianti industriali e veicoli a motore - in gran parte del paese durante il periodo di stop.

La pandemia rappresenta un caso molto vantaggioso ed estremamente utile per osservazioni terrestri effettuate dallo spazio, proprio per i cambiamenti che impone alle attività umane; tuttavia, i dati sulla qualità dell'aria derivati dai satelliti hanno applicazioni in una vasta gamma di discipline. E soprattutto, possono costituire un database consultabile in tempo reale, come AirNow.

AirNow

Il sistema AirNow è una piattaforma creata per ottimizzare la distribuzione di report e previsioni nazionali in tempo reale sulla qualità dell'aria. Le misurazioni vengono effettuate da migliaia di stazioni di monitoraggio negli Stati Uniti, in Messico e in Canada; tuttavia, queste stazioni di monitoraggio a terra non raggiungono qualsiasi punto, ma hanno delle limitazioni.
Introducendo osservazioni satellitari tramite lo strumento MODIS è possibile colmare questa lacuna e misurare anche quelle particolari aree, il che consente di ottenere un'immagine più accurata di come l'inquinamento atmosferico (e in particolare il particolato fine) viene distribuito in un determinato continente, e come la sua concentrazione vari nel tempo.

Incorporando i dati dell'Ozone Monitoring Instrument (OMI), la NASA è stata in grado di identificare un calo significativo di NO2 negli ultimi 15 anni negli Stati Uniti: questa è una prova del fatto che l'aver approvato le norme del Clean Air Act (ovvero regolamentazioni sui veicoli a gas, il passaggio a carburanti più puliti e così via) fu una giusta scelta, che sta ora dando i suoi frutti.

Un esempio di un risultato ottenuto: dimostrare che dal 2004 i livelli di NO2 sono scesi del 40% - 50% a seconda dell'area metropolitana (continente americano) presa in esame. In effetti, l'aria negli Stati Uniti è in questo momento la più pulita dai tempi della rivoluzione industriale.

L'ozono quello cattivo

Mentre l'ozono nella stratosfera è fondamentale per proteggere la vita sulla Terra, l'ozono di superficie è un gas tossico per la maggior parte delle specie vegetali e animali. La NASA combina i dati satellitari con i modelli realizzati al computer per fornire un'istantanea della composizione chimica di tutta l'atmosfera, e la rappresentazione grafica è solo una parte dell'intero processo di analisi. In effetti la gestione di tutti questi dati rappresenta un vero ostacolo per gli scienziati coinvolti.

Eventi recenti

Secondo il rapporto del Global Burden of Disease, l'inquinamento atmosferico è la principale causa ambientale di mortalità: è una statistica ben nota nel settore della sanità pubblica. Gli incendi in California, ad esempio, hanno causato problemi di qualità dell'aria non solo nell'ultimo anno, ma anche nell'ultimo decennio. Un team dell'HAQAST è stato in grado di esaminare le emissioni e sviluppare nuovi metodi per utilizzare i dati esistenti ottenuti dagli strumenti VIIRS e MODIS. Il loro contributo è stato fondamentale per aiutare lo stato della California a comprendere l'entità degli incendi e la quantificazione delle emissioni.
Attualmente sono in sviluppo diverse missioni che sono nate con l'obiettivo di approfondire le mille sfaccettature che caratterizzano questo aspetto della vita sul pianeta Terra. Ad esempio, la missione Tropospheric Emissions: Monitoring Pollution (TEMPO) è progettata per misurare diversi inquinanti, tra cui NO2 e ozono, negli Stati Uniti durante le ore diurne. TEMPO darà agli scienziati la possibilità di osservare come le fonti di inquinamento e le concentrazioni chimiche cambino nel corso di una singola giornata. Il lancio della missione TEMPO è previsto per il 2022 e andrà a far parte di una costellazione internazionale di satelliti simili, che include lo spettrometro geostazionario di monitoraggio dell'ambiente della Corea del Sud (GEMS) e Sentinel-4 dell'Agenzia spaziale europea. Il satellite dovrebbe lanciarsi in orbita geostazionaria a 35.786 km sopra l'equatore terrestre.

La missione Multi-Angle Imager for Aerosols (MAIA), anch'essa prevista per poco dopo il 2020, migliorerà la comprensione degli scienziati sul particolato, quelle minuscole particelle microscopiche che persistono nell'aria, con particolare attenzione verso le grandi aree metropolitane. Dati come questi aiuteranno la comunità sanitaria a comprendere meglio la connessione tra inquinanti aerosol e problemi di salute, inclusi complicazioni nei neonati post - nascita e l'insorgenza di malattie cardiovascolari.

Barry Lefer, scienziato del programma Tropospheric Composition della NASA spiega che "MAIA ci consentirà di studiare in dettaglio questi aerosol, di dirci quanto sono grandi e quanti di loro sono in quella categoria molto piccola che è la più dannosa per la salute umana. Saremo anche in grado di capire meglio di cosa sono fatte le particelle che ci porteranno da dove sono venute"

"Mi piacerebbe vedere un futuro in cui i dati di osservazione della Terra in tempo reale siano perfettamente e continuamente disponibili per tutti, dall'orbita al palmo della mano", ha detto Haynes. "Consentirebbe a chiunque di prendere decisioni rapide in merito alla qualità dell'aria e alla propria salute".

Non dimentichiamo l'artico

L'ozono è una molecola altamente reattiva composta da tre atomi di ossigeno che si presenta in natura in piccole quantità. Lo strato di ozono stratosferico è una protezione solare che assorbe le dannose radiazioni ultraviolette che possono danneggiare piante e animali e colpire le persone causando cataratta, cancro della pelle e sistema immunitario soppresso.
I livelli di ozono sopra l'Artico, durante il mese di marzo, hanno raggiunto un minimo record. Un'analisi delle osservazioni satellitari mostra che i livelli di ozono hanno raggiunto il loro minimo il 12 marzo 2020, arrivando a 205 unità Dobson (una unità Dobson corrisponde ad uno spessore di 0.01 mm).
Livelli così bassi sono rari, ma sono stati già osservati in passato. Simili livelli di ozono si sono verificati nell'atmosfera, nel 1997 e nel 2011. Per fare un confronto, il valore più basso osservato nell'Artico durante i mesi di marzo è di solito di circa 240 unità Dobson.

"Il basso livello di ozono artico di quest'anno si manifesta all'incirca una volta per decennio", spiega Paul Newman, capo scienziato per le scienze della terra presso il Goddard Space Flight Center della NASA."Per la salute generale dello strato di ozono, questo fatto è preoccupante perché di solito i livelli di ozono nell'Artico sono più elevati a marzo e ad aprile".

La diminuzione dell'ozono nell'Artico è stata causata da una combinazione di fattori dovuti a delle meccaniche atmosferiche, dette "wave", più deboli rispetto solito. Queste "onde" guidano i movimenti dell'aria attraverso l'atmosfera superiore, in modo simile a quanto già avviene nell'atmosfera inferiore, ma con una intensità molto più significativa.
In un anno tipico, queste onde viaggiano verso l'alto dall'atmosfera inferiore a media latitudine per interrompere i venti circumpolari che spirano intorno all'Artico. Quando interrompono i venti polari, trasportano con sé l'ozono verso altre zone della stratosfera, riempiendo anche il serbatoio d'ozono sopra l'Artico.

Cloro e bromo

La miscelazione che ne deriva ha un secondo effetto, che è quello di riscaldare l'aria artica. Le temperature più calde rendono più difficile la formazione di nuvole stratosferiche. E' un fatto importante? Si, perché queste nuvole permettono il rilascio di cloro di cui sono composte, rilascio che è alla base della riduzione dello strato di ozono. Il cloro e il bromo che riducono l'ozono provengono da clorofluorocarburi e halon, le forme chimicamente attive di cloro e bromo derivate da composti artificiali che ora sono vietati dal protocollo di Montreal. La miscelazione quindi rende più difficile la formazione di nuvole stratosferiche, bloccando di fatto il rilascio di composti dannosi per lo strato di ozono.

Nel dicembre 2019 e da gennaio a marzo 2020, le "onde" sono state più deboli del solito e non hanno disturbato i venti polari. I venti agivano quindi come una barriera, impedendo all'ozono proveniente da altre parti dell'atmosfera di inserirsi sopra l'artico e riequilibrare i bassi livelli di ozono. Inoltre, la stratosfera non si è riscaldata come prima descritto, dando via libera alla formazione di nuvole stratosferiche polari che hanno permesso il rilascio di forme reattive di cloro, causando ulteriore diminuzione dell'ozono.

L'uomo ha smesso di immettere clorofluorocarburi nell'atmosfera grazie al protocollo di Montreal, e questo è un bene perché altrimenti la situazione dell'Artico sarebbe stata di gran lunga più catastrofica di quanto giù non lo sia. L'immagine qui sopra mostra cosa sarebbe accaduto.
Dal 2000, i livelli di clorofluorocarburi e altre sostanze che riducono lo strato di ozono nell'uomo sono diminuiti in modo significativo nell'atmosfera e continuano a farlo. Ma i clorofluorocarburi sono composti che impiegano decenni per degradarsi, e gli scienziati si aspettano che i livelli di ozono stratosferico tornino ai livelli del 1980 entro la metà di questo secolo.