Usando rare molecole di ossigeno intrappolate in bolle d'aria nel vecchio ghiaccio e neve, Scienziati statunitensi e francesi hanno risposto a una domanda di vecchia data:quanto sono aumentati i livelli "cattivi" di ozono dall'inizio della rivoluzione industriale?

"Siamo stati in grado di monitorare quanto ozono c'era nell'antica atmosfera, ", ha detto il geochimico della Rice University Laurence Yeung, l'autore principale di uno studio pubblicato online oggi in Natura . "Questo non è mai stato fatto prima, ed è straordinario che possiamo farlo affatto."

I ricercatori hanno utilizzato i nuovi dati in combinazione con modelli di chimica atmosferica all'avanguardia per stabilire che i livelli di ozono nella bassa atmosfera, o troposfera, sono aumentati di un limite massimo del 40% dal 1850.

"Questi risultati mostrano che i migliori modelli di oggi simulano bene gli antichi livelli di ozono troposferico, "ha detto Yeung. "Ciò rafforza la nostra fiducia nella loro capacità di prevedere come i livelli di ozono troposferico cambieranno in futuro".

Il team di ricerca guidato da Rice comprende ricercatori dell'Università di Rochester a New York, l'Istituto di geoscienze ambientali del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS) presso l'Université Grenoble Alpes (UGA), Il laboratorio di controllo e segnali vocali di Grenoble Images del CNRS presso l'UGA e il laboratorio francese di scienze climatiche e ambientali del CNRS e della Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica (CEA) presso l'Université Versailles-St Quentin.

"Queste misurazioni limitano la quantità di riscaldamento causato dall'ozono antropogenico, " ha detto Yeung. Ad esempio, ha affermato che il rapporto più recente dell'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ha stimato che l'ozono nella bassa atmosfera terrestre oggi contribuisce con 0,4 watt per metro quadrato di forzante radiativo al clima del pianeta, ma il margine di errore per quella previsione era del 50%, o 0,2 watt per metro quadrato.

"Questa è una barra di errore davvero grande, " Yeung ha detto. "Avere migliori stime preindustriali sull'ozono può ridurre significativamente queste incertezze.

"È come indovinare quanto è pesante la tua valigia quando c'è una tassa per i bagagli oltre 50 sterline, " ha detto. "Con le vecchie barre di errore, diresti, 'Penso che la mia borsa sia tra 20 e 60 sterline.' Non è abbastanza buono se non puoi permetterti di pagare la sanzione".

L'ozono è una molecola che contiene tre atomi di ossigeno. Prodotto in reazioni chimiche che coinvolgono la luce solare, è altamente reattivo, in parte a causa della sua tendenza a cedere uno dei suoi atomi per formare una molecola di ossigeno più stabile. La maggior parte dell'ozono terrestre si trova nella stratosfera, che è più di cinque miglia sopra la superficie del pianeta. L'ozono stratosferico è talvolta chiamato ozono "buono" perché blocca la maggior parte delle radiazioni ultraviolette del sole, ed è quindi essenziale per la vita sulla Terra.

Il resto dell'ozono terrestre si trova nella troposfera, più vicino alla superficie. Qui, la reattività dell'ozono può essere dannosa per le piante, animali e persone. Ecco perché l'ozono troposferico è talvolta chiamato ozono "cattivo". Per esempio, l'ozono è un componente primario dello smog urbano, che si forma vicino al livello del suolo nelle reazioni sotto la luce del sole tra ossigeno e inquinanti dallo scarico dei veicoli a motore. L'Environmental Protection Agency considera dannosa l'esposizione a livelli di ozono superiori a 70 parti per miliardo per otto ore o più.

"Il problema dell'ozono è che gli scienziati lo studiano in dettaglio solo da pochi decenni, " ha detto Yeung, un assistente professore di Terra, scienze ambientali e planetarie. "Non sapevamo perché l'ozono fosse così abbondante nell'inquinamento atmosferico fino agli anni '70. È stato allora che abbiamo iniziato a riconoscere come l'inquinamento atmosferico stesse cambiando la chimica atmosferica. Le auto stavano aumentando l'ozono a livello del suolo".

Mentre le prime misurazioni dell'ozono troposferico risalgono alla fine del XIX secolo, Yeung ha affermato che questi dati sono in conflitto con le migliori stime dei modelli di chimica atmosferica all'avanguardia di oggi.

"La maggior parte di questi dati più vecchi proviene da test su carta di amido in cui la carta cambia colore dopo aver reagito con l'ozono, " ha detto. "I test non sono i più affidabili:il cambiamento di colore dipende dall'umidità relativa, per esempio, ma suggeriscono, tuttavia, che l'ozono troposferico potrebbe essere aumentato fino al 300% nell'ultimo secolo. In contrasto, i migliori modelli di computer di oggi suggeriscono un aumento più moderato del 25-50%. Questa è un'enorme differenza.

"Non ci sono altri dati là fuori, quindi è difficile sapere quale sia giusto, o se entrambi sono corretti e quelle misurazioni particolari non sono un buon punto di riferimento per l'intera troposfera, " Yeung ha detto. "La comunità ha lottato con questa domanda per molto tempo. Volevamo trovare nuovi dati che potessero fare progressi su questo problema irrisolto".

Trovare nuovi dati, però, non è semplice. "L'ozono è troppo reattivo, da solo, da conservare nel ghiaccio o nella neve, " disse. "Allora, cerchiamo la scia dell'ozono, le tracce che lascia nelle molecole di ossigeno.

"Quando il sole splende, le molecole di ozono e ossigeno vengono costantemente prodotte e rotte nell'atmosfera dalla stessa chimica, " Yeung ha detto. "Il nostro lavoro negli ultimi anni ha trovato un 'tag' naturale per quella chimica:il numero di isotopi rari che sono raggruppati insieme".

Il laboratorio di Yeung è specializzato sia nella misurazione che nella spiegazione della presenza di questi isotopi agglomerati nell'atmosfera. Sono molecole che hanno il solito numero di atomi - due per l'ossigeno molecolare - ma hanno rari isotopi di quegli atomi sostituiti al posto di quelli comuni. Per esempio, più del 99,5% di tutti gli atomi di ossigeno in natura ha otto protoni e otto neutroni, per un numero di massa atomica totale di 16. Solo due su 1, 000 atomi di ossigeno sono l'isotopo più pesante ossigeno-18, che contiene altri due neutroni. Una coppia di questi atomi di ossigeno-18 è chiamata gruppo di isotopi.

La stragrande maggioranza delle molecole di ossigeno in qualsiasi campione d'aria conterrà due ossigeno-16. Alcune rare eccezioni conterranno uno dei rari atomi di ossigeno-18, e ancora più rare saranno le coppie di ossigeno-18.

Il laboratorio di Yeung è uno dei pochi al mondo in grado di misurare esattamente quante di queste coppie di ossigeno-18 ci sono in un dato campione di aria. Ha detto che questi grumi di isotopi nell'ossigeno molecolare variano in abbondanza a seconda di dove si verifica l'ozono e la chimica dell'ossigeno. Perché la bassa stratosfera è molto fredda, le probabilità che una coppia ossigeno-18 si formi dalla chimica ozono/ossigeno aumentano leggermente e in modo prevedibile rispetto alla stessa reazione nella troposfera. Nella troposfera, dove fa più caldo, la chimica ozono/ossigeno produce un numero leggermente inferiore di coppie ossigeno-18.

Con l'inizio dell'industrializzazione e la combustione di combustibili fossili intorno al 1850, gli umani iniziarono ad aggiungere più ozono alla bassa atmosfera. Yeung e colleghi hanno pensato che questo aumento della proporzione di ozono troposferico avrebbe dovuto lasciare una traccia riconoscibile:una diminuzione del numero di coppie ossigeno-18 nella troposfera.

Utilizzando carote di ghiaccio e firn (neve compressa che non ha ancora formato ghiaccio) dall'Antartide e dalla Groenlandia, i ricercatori hanno costruito un record di coppie ossigeno-18 nell'ossigeno molecolare dai tempi preindustriali ad oggi. L'evidenza ha confermato sia l'aumento dell'ozono troposferico sia l'entità dell'aumento previsto dai recenti modelli atmosferici.

"Limitiamo l'aumento a meno del 40%, e il modello chimico più completo prevede circa il 30%, " ha detto Yeung.

"Uno degli aspetti più entusiasmanti è stato il modo in cui il record del nucleo di ghiaccio corrispondeva alle previsioni del modello, " ha detto. "Questo è stato un caso in cui abbiamo fatto una misurazione, e in autonomia, un modello ha prodotto qualcosa che era in stretto accordo con l'evidenza sperimentale. Penso che mostri fino a che punto gli scienziati dell'atmosfera e del clima siano riusciti a prevedere con precisione come gli esseri umani stanno cambiando l'atmosfera terrestre, in particolare la sua chimica".