Misure ottiche per lo studio dell'ozono stratosferico

Fig. 3 - In alto: vista esterna del sistema ottico asservito allo spettrometro GASCOD installato presso la base italiana di Terra Nova Bay in Antartide. In basso: vista interna dello stesso spettrometro

Gli spettrometri e gli interferometri possiedono la particolare capacità di misurare più composti gassosi simultaneamente. Mentre l'interferometria di Michelson consente l'osservazione di un numero elevato di composti gassosi atmosferici, richiedendo però alti costi di installazione e di funzionamento, uno spettrometro operante nell'ultravioletto e nel visibile permette di misurare un discreto numero di composti con modalità di funzionamento non molto complesse, cosicché esso può essere installato agevolmente in stazioni di tipo climatico ubicate in località remote. Rientra in questa classe la cosiddetta tecnica DOAS (Spettroscopia di Assorbimento Ottico Differenziale), la cui applicazione non richiede la conoscenza dello spettro non attenuato dai gas assorbitori che si vogliono misurare e consente di correlare tra loro i dati presi in tempi diversi e con risposte strumentali non identiche, grazie all'utilizzo di criteri di assorbimento differenziale. Perciò, con gli strumenti DOAS è possibile effettuare misure delle quantità colonnari di gas in traccia in stratosfera (ozono, NO2, BrO ed OClO), ottenendo innumerevoli vantaggi rispetto alle altre tecniche a remote sensing e riuscendo a misurare più gas contemporaneamente. Infine, è importante ricordare che per mezzo della tecnica DOAS è possibile misurare le concentrazioni del radicale nitrato NO3 e dell'OClO (attualmente non rilevabili con altre metodologie) e ottenere una maggiore affidabilità nella misura del radicale OH. A livello internazionale, lo sviluppo di remote sensor che applicano la metodologia DOAS sta assumendo un ruolo determinante, specialmente negli studi dei processi di deplezione dell'ozono stratosferico. A tale proposito si può ricordare che spettrometri del tipo "DOAS" hanno trovato vasta applicazione sia nelle stazioni a terra, il cui impiego è previsto in numerosi programmi ambientali europei (EASOE, SESAME, ecc.), sia su palloni (ESRANGE), su aerei stratosferici (ER2, GEOPHYSICA) e su satelliti (GOME e SCIAMACHY).

Presso il Fisbat del CNR di Bologna sono stati realizzati diversi spettrometri, basati sulla tecnica DOAS, che sono stati usati sia per l'osservazione di gas stratosferici in tracce, sia per il rilevamento dell'inquinamento atmosferico in aree urbane lungo traiettorie orizzontali. Restando nel campo delle misure di radiazione solare diffusa lungo la verticale, uno spettrometro GASCOD è stato installato presso il Laboratorio "Ottavio Vittori" al Monte Cimone ed un secondo presso la stazione italiana di Terra Nova Bay in Antartide. Recentemente ne è stata sviluppata una versione espressamente progettata per essere montata su aerei stratosferici ed è già stata imbarcata sull'aereo M-55 Geophysica, che può volare fino alla quota di 20 km. Questa apparecchiatura, particolarmente sofisticata, è in grado di effettuare misurazioni della radiazione solare diretta o diffusa in condizioni ambientali estreme, con valori della temperatura esterna al di sotto di -60 ·C, e valori della pressione di 50 mb (Figura 2). Lo spettrometro installato presso la stazione italiana di Terra Nova Bay è particolarmente interessante, poiché è stato realizzato in una versione completamente automatica, che può operare in modo autonomo anche nel periodo invernale e primaverile, quando la stazione è disabitata (Figura 3). I risultati preliminari di un anno di osservazioni mostrano che l'abbondanza colonnare dell'NO2 ha un comportamento stagionale simile a quello osservato nella stazione statunitense di McMurdo, vicina a quella italiana di Terra Nova Bay, marcatamente influenzato nel corso dell'anno dalla posizione di Terra Nova Bay rispetto al vortice antartico.

Infine, anche se non sono utilizzate metodologie ottiche, è opportuno ricordare che l'Istituto Fisbat è impegnato nell'effettuazione di ozonosondaggi nell'ambito della rete mondiale di stazioni di ozonosondaggi WODC (World Ozone Data Centre), sotto l'egida della World Meteorological Organization (WMO). L'Italia ha partecipato a questa attività internazionale fin dall'inizio, a partire dalla seconda metà degli anni Ottanta. Dal 1991 tale iniziativa è proseguita, grazie all'impegno dell'Istituto Fisbat, presso la stazione meteorologica "G. Fea" di San Pietro Capofiume del Servizio Meteorologico Regionale dell'Emilia-Romagna. Attualmente è questa l'unica stazione di ozonosondaggio operante con continuità in Italia, riconosciuta da organismi internazionali come il WMO e partecipante a progetti europei, avendo il numero 297 della rete WODC. Avvalendosi della collaborazione tecnica del Servizio Meteorologico Regionale, l'Istituto Fisbat continua a svolgere questo servizio garantendone la continuità, pur non ricevendo finanziamenti ad hoc in modo continuativo. La stazione è posta in un punto sicuramente strategico per osservare le variazioni nei profili di distribuzione verticale dell'ozono alle medie latitudini ed, in particolare, nell'Europa meridionale. Insieme con queste osservazioni, che permettono di determinare il profilo verticale di concentrazione dell'ozono dalla bassa troposfera fino alla quota di 30-50 km, vengono svolte elaborazioni di dati da satellite relativi all'ozono (TOMS) e ad altri parametri chimici e fisici dell'atmosfera. L'analisi dei profili verticali medi stagionali della pressione parziale di ozono negli ultimi cinque anni (Figura 4) mostra che alle nostre latitudini:

• è evidente in stratosfera un massimo di concentrazione primaverile;
• in estate, il massimo della concentrazione si trova attorno ai 25 km ed in inverno intorno ai 22 km;

	Fig. 4 - In alto: profili verticali medi stagionali della pressione parziale di ozono, ricavati dalle misure fatte nel periodo 1991-1994 presso la stazione di San Pietro Capofiume (BO). In basso: operazione di lancio dell'ozonosonda a San Pietro Capofiume, per condizioni di vento teso al suolo

è presente un massimo secondario compreso tra la quota di tropopausa e quella di 15 km, ben identificabile nella stagione primaverile e con minor evidenza nel periodo invernale: questa particolare caratteristica indica che tutta l'area al di sotto delle Alpi è sottoposta, nel tardo inverno e in primavera, ad inclusioni in troposfera di masse d'aria ricche di ozono provenienti dalla stratosfera ed associate a processi di ripiegamento della tropopausa collegati ad eventi di ciclogenesi;

appare evidente la presenza di forti concentrazioni di ozono in prossimità del suolo, durante i mesi estivi e primaverili, come prodotto secondario delle reazioni tra i cosiddetti precursori.

Gli ozonosondaggi sono essenziali per lo studio dell'andamento e delle periodicità (annuale, QBO, undecennale, ecc.) della concentrazione di ozono alle diverse quote. Distribuzioni verticali dell'ozono vengono richieste nell'ambito di programmi internazionali ed in modo particolare europei, quali SESAME, OSDOC e MATCH. La stazione di ozonosondaggio di San Pietro Capofiume (WODC #297, 44·N, 11°E), posta al centro dell'area mediterranea, può fornire un notevole contributo di informazioni a queste ricerche, mirate a comprendere meglio le caratteristiche di fenomeni che avvengono nell'ozonosfera alle medie latitudini.

Ma, perché tali attività di ozonosondaggio possano essere proseguite con continuità e con lo stesso impegno profuso fino ad oggi, è necessario che la comunità scientifica nazionale e gli enti pubblici interessati sostengano questa iniziativa promossa dall'Istituto Fisbat del CNR con entusiasmo ed attenzione.