M i s u r e s p e t t r o s c o p i c h e d i r e t t e d e l l a c o n c e n t r a z i o n e d e l l ' o z o n o a t m o s f e r i c o (*) N . M A T T A N A R i c e v u t o il 19 F e b b r a i o 1963 R I A S S U N T O . - Questa b r e v e relazione, p r e s e n t a t a d u r a n t e la sessione « O t t i c a e S p e t t r o s c o p i a d e l l ' a l t a a t m o s f e r a » al 2° Congresso I n t e r n a z i o n a l e Tecnico Scientifico dello Spazio, concerne alcuni sistemi spettroscopici fin qui u t i l i z z a t i p e r m i s u r e d i r e t t e dell'ozono atmosferico. S U M M A R Y . — Tliis is a brief relation, r e p o r t e d d u r i n g t h e session " Optics a n d S p e c t r o s c o p y of t h e u p p e r a t i n o s p h e r e " of t h e 2ntl I n t e r n a - t i o n a l T e c h n i c a l Scientifìc Meeting on Space, concerning some spectrosco- pical s y s t e m s h i t h e r t o utilized for direct m e a s u r e m e n t s of a t m o s p e r i c ozone. Come è noto, se t u t t o l'ozono contenuto in una colonna verticale dell'atmosfera venisse isolato e portato al livello del mare, alle condizioni di temperatura e pressione normali, assumerebbe uno spessore «ridotto» di circa 3 m m ; cioè, pochi decirnilionesimi dell'altezza dell'intera atmosfera omogenea. Benché questa quantità sia t a n t o esigua rispetto agli altri costituenti l'aria atmosferica, è comunque sufficiente, a causa del suo forte potere assorbente sulle radiazioni luminose dell'ultravioletto, per intercettare t u t t a la radiazione proenivente dal sole di lunghezza d'onda inferiore ai 2900 A, e quindi risulta sufficiente per proteggere gli esseri viventi sulla superficie terrestre da un eccesso di tali radiazioni. Senza questo schermo naturale le radiazioni ultraviolette raggiungerebbero al livello del mare u n a intensità superiore a cinque volte quella che si re- gistra in alta montagna con il sole allo zenit. (*) N o t a p r e s e n t a t a al 2° Congresso I n t e r n a z i o n a l e Tecnico Scientifico dello Spazio. R o m a , 19-23 Giugno 1962. 4 2 4 X . M A T T A N A Se, invece, per uno strano evento, si dovesse verificare u n abnorme incremento della q u a n t i t à di ozono, la vita sulla t e r r a potrebbe diventare impossibile, come se il globo terrestre venisse avvolto da una t e t r a ombra biologica. Le misure sinora e f f e t t u a t e delle q u a n t i t à di ozono atmosferico hanno dimostrato la notevole variabilità, t a n t o nel tempo che nello spazio, delle concentrazioni di questo gas ed in particolare hanno messo in evi- denza l'esistenza nella stratosfera, intorno ai 25-30 k m , di uno s t r a t o di massima concentrazione. I n questo s t r a t o le concentrazioni variano n o r m a l m e n t e intorno ai valori di 2-3 p a r t i per milione in volume d'aria, con un tenore cioè già abbastanza fastidioso per la respirazione; se si tiene conto che in qualche caso sono s t a t e misurate concentrazioni anche di 9 p . p . m . , e cioè tali da risultare probabilmente dannose per organismi superiori, e che in un prossimo f u t u r o la stratosfera diventerà il normale ambiente dei voli umani, ne deriva i m m e d i a t a m e n t e la dimostrazione dell'importanza che può assumere il problema dell'esatta valutazione delle concentrazioni atmosferiche dell'ozono anche nel campo pratico del volo stratosferico. Già da qualche anno, molti ricercatori hanno dimostrato l'esistenza di notevoli correlazioni t r a le variazioni dell'ozono e diversi fenomeni meteorologici. L'analisi delle fluttuazioni delle distribuzioni orizzontali e verticali dell'ozono si sta rivelando sempre più un essenziale mezzo per lo studio e la soluzione dei problemi relativi alla termodinamica e dinamica della stratosfera ed allo scambio energetico t r a l'alta atmosfera e la troposfera, cioè un interessante metodo di aerologia indiretta. Il Prof. Gotz, l'insigne studioso che ha dedicato gran p a r t e nella sua v a s t a a t t i v i t à scientifica al problema dell'ozono, h a tracciato u n a sintesi felice, un vivo quadro, dell'interdipendenza t r a l'ozono e la. feno- 111 enologia atmosferica : « L'ozono ha origine, negli alti s t r a t i dell'atmosfera, dalla radiazione del sole, f a t t o r e primo di ogni fenomeno terrestre. A questo gas, pin- t a n t o esiguo rispetto agli altri costituenti l'aria atmosferica, sono dovuti i contrasti termici che h a n n o inizio nella mesosfera, e quindi le onde ed i vortici che si producono alle quote mesosferiche dello strato caldo, al limite dell'ombra della n o t t e polare. Il vortice polare, a sua volta, è la causa dell'abbassamento dell'ozono nella bassa stratosfera (la cosidetta « regione p r o t e t t a », in quanto l'azione fotolitica sull'ozono della radia- zione solare, di A < 11000 A, è ivi quasi trascurabile) e successivamente, per subsidenza e scambio turbolento, l'ozono si abbassa sino alla tropo- M I S U R E S P E T T R O S C O P I C H E D I R E T T E D E L L A C O N C E N T R A / . . D E L L ' O Z O N O 4 2 5 sfera, ove si realizzano i più vistosi fenomeni meteorologici; infine, diffuso sino agli s t r a t i più bassi ed in prossimità del suolo si reinserisce nel meta- bolismo dell'ossigeno ». Il sintetico quadro tracciato da Gòtz non può fornire che u n a par- ziale visione dell'insieme dei complessi fenomeni e dei vasti problemi meteorologici connessi con le determinazioni delle concentrazioni del- l'ozono nell'atmosfera, comunque la necessità di estendere, intensificare e rendere sempre più precise le determinazioni della concentrazione del- l'ozono è oggi t a l m e n t e sentita t r a i meteorologi, che la stessa Commis- sione per l'Aerologia, anche recentemente, nella sua u l t i m a riunione tenu- tasi l'anno scorso a E o m a , ha ribadito questi concetti, formulando sul- l'argomento diverse raccomandazioni e definendo come « vitale » il ruolo che i d a t i relativi alle distribuzioni verticali dell'ozono h a n n o nei pro- blemi della dinamica stratosferica ». (Race. 7, 8, 9). Sino a pochi anni fa l'unico metodo utilizzabile per la determina- zione delle distribuzioni verticali era quello indiretto basato sull'effetto « Unkehr-Gòtz », che comporta u n a lunga serie di misurazioni spettro- fotometriche, e f f e t t u a t e al suolo, del rapporto delle intensità di due parti- colari radiazioni della b a n d a di Ilartly-Huggins, diffuse dal cielo allo zenit, d u r a n t e il corso semidiurno del sole. Per applicare tale metodo necessitano osservazioni e calcolatori specializzati, e benché i calcoli siano molto laboriosi e complessi i risultati che si ottengono sono molte volte imprecisi e sempre poco dettagliati. P r a t i c a m e n t e , con il metodo indiretto si può ottenere soltanto u n a valutazione qualitativa e generale della distribuzione verticale dell'ozono, ed i d a t i ricavabili non sono utilizzabili per uno studio sinottico delle correlazioni t r a l'ozono ed i fenomeni atmosferici verificantisi a quote particolari. Soltanto con i metodi di misura diretta, per mezzo di ozonosonde t r a s p o r t a t e da palloni o da razzi, si possono ottenere d a t i sufficientemente dettagliati e precisi, confrontabili con i fenomeni meteorologici a scala sinottica di specifici s t r a t i dell'atmosfera. La p r i m a strumentazione con la quale si son p o t u t e effettuare misure dirette delle concentrazioni dell'ozono in quota è s t a t a quella realizzata da Regener, nel 1934, che, all'uopo, a d a t t ò un leggero spettrografo in modo da renderlo trasportabile da palloni sonda. N a t u r a l m e n t e , il recu- pero dello s t r u m e n t o dopo l'effettuazione del volo era la condizione ne- cessaria per l'esame spettrofotometrico delle lastre fotografiche impiegate per la registrazione dello spettro nell'ultravioletto. Le stesse difficoltà connesse al recupero, permangono per le regi- strazioni e f f e t t u a t e per mezzo di spettrografi trasportati da razzi-sonda. 4 2 6 X. M A T T A N A Uno dei sondaggi con razzi-sonda meglio riuscito è stato quello realizzato dal Naval Research Laboratory degli U.S.A. nel Giugno 1949 con il lancio di un razzo Aerobee, munito di spettrografo utilizzante un reticolo di diffrazione concavo, in alluminio, di 40 centimetri di raggio con 15.000 t r a t t i per pollice. Al fine di allargare al massimo il campo di visione, in modo da poter ricevere la luce solare anche in condizioni di volo p e r t u r b a t o da f o r t e rullio e deriva, è s t a t a adoperata, invece della normale f e n d i t u r a dello spettrografo, una lente sferica di fluoruro di litio di 2 m m di diametro, che forniva un'immagine del sole di 13 /i di diametro. D u r a n t e il volo del razzo fu e f f e t t u a t a u n a serie di esposizioni, su film particolarmente sensibile all'ultravioletto, della d u r a t a di 1 secondo, intervallate di due decimi di secondo. Contemporaneamente allo spettro veniva fotografato nel film un marcatempo. P e r determinare la q u a n t i t à di ozono esistente lungo il percorso atmo- sferico dei raggi solari, in corrispondenza (li ciascuna esposizione fotogra- fica, veniva comparata la curva d'intensità di ogni specifico spettro con le curve d'intensità degli spettri o t t e n u t i a quote superiori ai 100 k m , ove si ritiene che non vi è più alcuna traccia di ozono. Tenendo conto dei coefficienti di assorbimento dell'ozono pei le varie lunghezze d'onda dello spettro U.Y., si poteva cosi risalire alla q u a n t i t à t o t a l e di ozono esistente lungo la traiettoria obliqua dei raggi solari, e conoscendo le coor- dinate del razzo all'istante della registrazione fotografica, si poteva risalire al corrispondente angolo zenitale del sole e quindi alla valutazione della q u a n t i t à di ozono esistente sulla verticale al disopra del razzo. Alla quota di circa 20 km l'assorbimento dell'ozono risultò t a l m e n t e forte che poteva, essere utilizzata soltanto u n a s t r e t t a regione dello spettro U.Y., da 3200 a 3400 A. Alle quote superiori ai 60 km era invece utilizzabile l'intero spettro a p a r t i r e da 2500 A. Al disopra dei 70 k m , le concentrazioni dell'ozono risultarono così deboli che la loro valutazione divenne troppo difficoltosa in q u a n t o le misure rientravano nell'ordine dell'errore sperimentale. L'analisi dei dati ricavati d a questo volo permise di ottenere impor- t a n t i conferme di deduzioni teoriche sull'irraggiamento solare nell'ultra- violetto e sull'equilibrio fotochimico dell'ozono stratosferico. Dal rapido cenno che ho esposto si può arguire quale complessità di operazioni e quale costo comporti la realizzazione di u n a determina- zione della distribuzione verticale dell'ozono per mezzo di spettrografi registratori trasportati da razzi-sonda; un tale sistema può p e r t a n t o essere utilizzato soltanto per specifiche osservazioni connesse allo studio M I S U R E S P E T T R O S C O P I C H E D I R E T T E D E L L A C O N C E S T R A Z . D E L L ' O Z O N O 4 2 7 di particolari i m p o r t a n t i problemi, quali per esempio quelli dell'interdi- pendenza t r a le fluttuazioni della radiazione ultravioletta solare, i feno- meni ionosferici e l'equilibrio fotochimico dell'ozono nell'alta atmosfera. P e r la valutazione delle distribuzioni verticali dell'ozono in quota, da utilizzare nelle normali ricerche (li c a r a t t e r e sinottico, si rende necessario p e r t a n t o l'uso di strumentazioni più economiche e meno complicate. Un notevole passo a v a n t i in questo senso f u f a t t o per merito di Coblenz e Stair, che nel 1939 realizzarono uno spettrofotometro ottico, che connesso ad un radiotrasmettitore t r a s p o r t a t o da un pallone, per- m e t t e v a la ricezione a t e r r a dei d a t i di misura delle intensità di due particolari lunghezze d'onda, differentemente assorbite dall'ozono, m a n mano che il pallone si elevava in quota e per mezzo dei quali potevano essere ricavati gli spessori dell'ozono a t t r a v e r s a t i dalla traiettoria obliqua dei raggi solari. In questi ultimi anni il perfezionamento dei filtri ottici e l'uso di filtri interferenziali, a t t i ad isolare limitate e ben definite regioni dello spettro, ed inoltre, i recenti perfezionamenti dei sistemi radioelettrici di telemisura, specie con l'adozione di circuiti transistorizzati, h a n n o per- messo di realizzare leggere ozonosonde ottiche trasportabili da normali palloni sonda, di sufficiente affidamento per un preciso e dettagliato computo delle concentrazioni dell'ozono alle varie quote atmosferiche. U n a delle strumentazioni di questo tipo, p r o g e t t a t a e realizzata da Paetzold e Kulcke, f u adoperata anche d u r a n t e l'ultimo Anno Geofisico Internazionale, in un limitato numero di stazioni, con discreto successo. L'ozonosonda ottica di Paetzold utilizza due filtri ottici, t r a s p a r e n t i in u n a s t r e t t a regione spettrale, ampia circa 150 A, la p r i m a c e n t r a t a intorno ai 3100 A e la seconda intorno ai 3600 A. Il primo filtro è costi- tuito dalla combinazione dei due filtri Schott U.G. I l e GG 19 rispetti- v a m e n t e di 6 e 1,6 m m di spessore, m e n t r e il secondo filtro è composto dallo stesso U.G. I l e da u n W G 1 di un m m . Quale ricevitore della luce veniva adoperata u n a sfera di quarzo resa translucida per mezzo di u n a p a t t i n a di ossido di magnesio. I due filtri vengono f a t t i r u o t a r e di f r o n t e ad u n a cellula al selenio la cui fotocorrente di uscita risulta proporzionale all'intensità delle radiazioni incidenti. Le fotocorrenti vengono ampli- ficate convenientemente e t r a s f o r m a t e in radiosegnali registrabili a t e r r a . Poiché le radiazioni della regione spettrale c e n t r a t a intorno ai 3100 A hanno un coefficiente medio di assorbimento dell'ozono molto più alto rispetto a quelle della regione spettrale c e n t r a t a intorno ai 3600 A, dal rapporto delle due intensità, previa t a r a t u r a , si può determinare, cono- 4 2 8 X. M A T T A N A scendo le coordinate geografiche e le quote del pallone sonda, lo spessore ridotto dell'ozono s o v r a s t a n t e l'ozonosonda. L'ozonosonda ottica di Paetzold è s t a t a in varie riprese sottoposta a diverse prove sperimentali e di comparazione con altre strumentazioni di tipo diverso, b a s a t e su sistemi elettrochimici di misura delle concen- trazioni dell'ozono. I risultati delle prove comparative hanno confermato che le misure sono abbastanza precise e risultano sufficientemente det- tagliate per la loro utilizzazione negli studi di c a r a t t e r e sinottico. L'ela- borazione dei d a t i dell'ozonosonda ottica risulta però molto più complessa e laboriosa rispetto a quella dell'ozonosonda elettrochimica, che t r a l'altro ha il pregio di fornire d i r e t t a m e n t e le concentrazioni dell'ozono, in cor- rispondenza delle varie quote raggiunte d u r a n t e il volo del pallone. P e r ovviare alla complessità della elaborazione dei d a t i dell'ozonosonda ottica, recentemente è stato p r o g e t t a t o un sistema di valutazione dei d a t i stessi per mezzo di una calcolatrice elettronica. Presso l'Osservatorio di Meteorologia Aeronautica di Cagliari si stan- no eseguendo delle prove sperimentali per la realizzazione di un'ozono- sonda economica e di agevole uso anche da p a r t e di personale non a l t a m e n t e specializzato, di tipo elettrochimico, e la sua realizzazione è già a buon punto. I n un secondo tempo si cercheià di realizzare, se i mezzi che potranno essere messi a nostra disposizione lo p e r m e t t e r a n n o , anche un'ozonosonda ottica da adoperare per scopi speciali e possibilmente razzo-trasportabile. Si spera così di poter inserire, in un prossimo f u t u r o , il Servizio Meteoroligico dell'A. M. italiana nel campo delle misure d i r e t t e del- l'ozono atmosferico, onde fornire un sostanziale contributo anche in questo r a m o della ricerca scientifica, da cui la meteorologia generale e i problemi della circolazione della stratosfera potranno t r a r r e essenziali elementi chiarificativi.