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La stratosfera terrestre si estende approssimativamente da un’altitudine di 11 km fino a 50 km, rappresentando uno degli strati chiave dell’atmosfera per le sue peculiari condizioni termiche e composizionali che influenzano profondamente la chimica atmosferica globale[3]. La temperatura nella stratosfera subisce un’inversione del gradiente termico rispetto alla troposfera sottostante; infatti essa cresce progressivamente con l’altitudine passando da valori intorno ai 217 K (-56 °C) alla tropopausa fino a raggiungere i 271 K presso la stratopausa[3]. Questa variazione è dovuta principalmente all’assorbimento della radiazione solare ultravioletta da parte dell’ozono stratosferico.
L’ozonosfera è lo strato ricco in ozono (O3) localizzato prevalentemente proprio nella stratosfera[1]. L’ozono qui svolge un ruolo cruciale nell’assorbire le radiazioni UV-C e UV-B provenienti dal Sole, proteggendo così la biosfera terrestre dai danni genetici indotti dalle radiazioni ultraviolette più energetiche[3]. La concentrazione tipica dell’ozono nella stratosfera è molto bassa in termini assoluti ma sufficiente per determinare una significativa attenuazione delle radiazioni UV: essa si aggira intorno allo 0,000004 % in volume (0,04 ppm)[1].
La formazione dell’ozono stratosferico segue una serie complessa di reazioni fotochimiche che coinvolgono principalmente ossigeno molecolare (O2) e radiazione solare ultravioletta ad alta energia:
\[
{\ce {O2 + h\nu -> O + O}} \quad (\lambda <240\,nm)
\]
dove fotoni ultravioletti dissociano l’ossigeno molecolare producendo atomi monovalenti altamente reattivi[3]. Questi atomi reagiscono quindi con altre molecole di ossigeno formando ozono:
\[
{\ce {O + O2 + M -> O3 + M}}
\]
dove M è una terza molecola che assorbe l’eccesso di energia liberata nella formazione dell’ozono[3]. La distruzione naturale dell’ozono avviene tramite processi inversi o catalizzati da radicali come NOx o ClOx; nelle condizioni naturali questi bilanci chimici mantengono un equilibrio dinamico.
L’introduzione antropogenica dei clorofluorocarburi (CFC), composti contenenti cloro e fluoro derivanti da refrigeranti e spray aerosol, ha modificato drasticamente la chimica della stratosfera causando il cosiddetto "buco dell’ozono"[3]. Questi composti sono stabili alle basse quote ma vengono trasportati lentamente verso la stratosfera dove la radiazione UV li dissocia liberando atomi di cloro:
\[
{\ce {CCl3F + h\nu -> CCl2F + Cl}}
\]
L’atomo di cloro agisce come catalizzatore distruggendo ripetutamente molecole di ozono secondo cicli quali:
\[
{\ce {Cl + O3 -> ClO + O2}}
\]
seguito da
\[
{\ce {ClO + O -> Cl + O2}}
\]
il risultato netto è la conversione di ozono in ossigeno molecolare senza consumo finale del cloro che continua il ciclo distruttivo[3].
La miscelazione verticale nella stratosfera è significativamente più lenta rispetto alla troposfera sottostante[3]. Questo rallentamento favorisce una permanenza prolungata delle specie chimiche emesse o formatesi nella stratosfera stessa. Sono necessari da 1 a 2 mesi perché una specie chimica si disperda per tutto un emisfero ma, sorprendentemente, ci vogliono da 1 a 2 anni perché si disperda nell'intera atmosfera inferiore della Terra[3]. Salendo nella stratosfera, i moti verticali d'aria si riducono drasticamente e una specie potrebbe impiegare parecchi anni, dal momento in cui attraversa la tropopausa, per rimescolarsi[3].
La scarsa turbolenza verticale limita l’efficacia del rimescolamento delle sostanze chimiche fra troposfera e stratosfera creando così compartimenti relativamente isolati dove le reazioni fotochimiche possono procedere con tempi scala anche pluriennali prima che i prodotti vengano dispersi altrove.
Le radiazioni UV giocano un ruolo fondamentale non solo nella formazione/distruzione dell’ozono ma anche nelle altre reazioni fotochimiche che coinvolgono gas minori presenti nell’atmosfera secca mediamente composta da azoto (N2, 78,084 %) e ossigeno (O2, 20,946 %)[1].
La fotodissociazione indotta dalle radiazioni UV consente la formazione di radicali liberi altamente reattivi come OH o NOx che partecipano poi a cicli catalitici accelerando processi come l’eliminazione dello stesso ozono o altri composti atmosferici.
La presenza variabile del vapore acqueo (H2O) nella troposfera limita il suo ingresso in quote più elevate della stratosfera dove risulta quasi assente[1]. Tuttavia tracce residuali possono influenzare le reazioni chimiche attraverso processi come la formazione di nubi polari nelle regioni polari alte della stratosfera favorendo processi catalitici su superfici solide.
Gas nobili ed elio prevalgono negli strati più alti come termosfera ed esosfera ma hanno scarsa influenza diretta sulla chimica della bassa-stratosfera dove invece gli ossidi d’azoto costituiscono specie chiave nei cicli catalitici che regolano l’equilibrio dell'ozono.
Le maree atmosferiche generate dall’assorbimento solare nel vapore acqueo e nell’ozono sono particolarmente attive sia nella troposfera che nella stratosfera[1]. Le oscillazioni periodiche della pressione e temperatura contribuiscono al trasporto verticale ed orizzontale dei gas influenzando indirettamente i processi chimici per mezzo dei cambiamenti locali nelle condizioni ambientali.
L’incremento esponenziale delle ampiezze delle maree con l’altitudine dovuto alla riduzione della densità atmosferica rende queste oscillazioni particolarmente incisive anche nelle regioni più rarefatte della mesosfera e termosfera dove comunque domina una composizione differente rispetto alla bassa-stratosfera.
English: Understanding Reactions in the Stratosphere Explained
Español: Reacciones químicas en la estratosfera y su impacto
Deutsch: Chemische Reaktionen in der Stratosphäre verstehen
Français: Étude des réactions chimiques dans la stratosphère
Русский: Реакции в стратосфере и их влияние на климат
Română: Reacții chimice esențiale în stratosferă
Português: Reações Químicas Importantes na Estratosfera da Terra
Hrvatski: Reakcije u stratosferi i njihov utjecaj na okoliš
Sto generando il riassunto…