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I.T.I.S. G. MARCONI - BARI PROF. ETTORE RIGHETTI LEFFETTO SERRA E IL RISCALDAMENTO PLANETARIO Questa presentazione si basa sul testo CHIMICA AMBIENTALE.

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1 I.T.I.S. G. MARCONI - BARI PROF. ETTORE RIGHETTI LEFFETTO SERRA E IL RISCALDAMENTO PLANETARIO Questa presentazione si basa sul testo CHIMICA AMBIENTALE Di Colin Baird (Editore Zanichelli)

2 Il bilancio energetico della terra Latmosfera e la superficie terrestre vengono riscaldate in primo luogo dallenergia proveniente dal sole. La componente più importante dellirradiazione solare giace nellintervallo della luce visibile ( nm). Gran parte della componente ultravioletta della luce solare, viene filtrata nella stratosfera, riscaldando laria di tale regione piuttosto che il suolo terrestre. Al di là della radiazione rossa, la luce solare contiene ancora una componente infrarossa, estesa nellintervallo nm. Della radiazione solare complessiva che raggiunge la terra, circa il 50% raggiunge la superficie terrestre, da cui viene assorbita, un altro 20% viene assorbito dai gas presenti nellatmosfera e dalle goccioline di acqua ivi presenti, il restante 30% non viene assorbito, ma riflesso dalle nubi, dalla superfici innevate e ghiacciate, dalle distese di sabbia e da altri corpi riflettenti. Come qualsiasi corpo caldo, la Terra emette a sua volta energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche situate nellintervallo di lunghezze donda compreso tra 4000 e nm. Questa banda è nota come regione dellinfrarosso termico, perché la sua energia si manifesta come calore, quello stesso calore che verrebbe irraggiato da una pentola di metallo calda. Affinché la temperatura della Terra rimanga costante, lenergia che essa riceve deve essere uguale a quella persa per irraggiamento. Alcuni gas, come lanidride carbonica e il vapor dacqua, presenti nellatmosfera possono assorbire alcune situate nellinfrarosso termico, cosicché non tutta lenergia irradiata dalla superficie terrestre e dallatmosfera sfugge direttamente nello spazio. Una volta assorbita da questi gas, questa radiazione viene riemessa in modo completamente casuale in tutte le direzioni, ritornando in parte sulla Terra, riscaldando la sua superficie e laria (vedi figura)vedi figura Il fenomeno del ritorno a terra della radiazione termica irraggiata è detto effetto serra. Grazie ad esso la temperatura media della superficie terrestre è di +15°C anziché di - 15°C, la temperatura che si registrerebbe in assenza di atmosfera. Quello che preoccupa è il notevole aumento di concentrazione nellatmosfera di gas responsabili dellassorbimento della radiazione infrarossa termica, che sta causando un pericoloso aumento della temperatura media della Terra. Questo fenomeno viene indicato col nome di aumento delleffetto serra. I principali costituenti dallatmosfera, N 2,O 2, Ar, non assorbono le radiazioni IR. La maggiorparte del riscaldamento causato dalleffetto serra è dovuto allacqua (responsabile per i 2/3) e allanidride carbonica (responsabile per 1/4).

3 Vibrazioni molecolari e assorbimento dellenergia (1) Le molecole, oltre ai movimenti traslazionali e vibrazionali, possiedono movimenti interni: 1) moto di vibrazione, chiamato tensione di legame, caratterizzato dalloscillazione rapida di due atomi X e Y, direttamente legati, attorno Alla distanza di equilibrio (distanza di legame).Questo movimento oscillatorio si verifica in tutti i legami di tutte le molecole, a qualunque temperatura, anche in vicinanza dello zero assoluto. Inoltre ogni legame presenta una sua particolare frequenza di vibrazione; 2) moto di flessione di due atomi X e Z non direttamente legati fra loro, ma entrambi legati ad un terzo atomo Y. In questo caso il movimento oscillatorio produce variazioni periodiche dellangolo XŶZ. Tale moto viene chiamato vibrazione di flessione (vedi figura 1).vedi figura 1 Lassorbimento della luce, in particolare della componente infrarossa, si verifica quando la sua frequenza coincide con la frequenza di uno dei moti vibrazionali delle molecole di un composto. A causa di determinati meccanismi innescati dallassorbimento della radiazione da parte di una popolazione di molecole, più che dellassorbimento di una particolare frequenza, si deve parlare di una banda di frequenze. 1) ANIDRIDE CARBONICA Nella figura 2 viene illustrato lo spettro di assorbimento nellinfrarosso della CO 2. Come si può notare,lassorbimentofigura 2 di tale composto è situato nella banda nm. Se ora analizziamo la figura 3, nella quale è riporta lintensitàfigura 3 effettiva della radiazione termica IR che lascia la Terra, in funzione della, confrontata con lintensità che ci si attenderebbe in assenza di assorbimento da parte dei gas responsabili delleffetto serra (curva tratteggiata), si nota con molta evidenza che la quantità di radiazione che sfugge dallatmosfera diminuisce drammaticamente nellintervallo di nm, coincidente con la banda di assorbimento della CO 2. Perciò aumenti indiscriminati di questo gas nellatmosfera diminuirebbero ancor più lintensità della radiazione termica che abbandona la Terra. Le figure 4 e 5figure 4 e 5 mostrano rispettivamente il contenuto annuo della CO 2 emesso nellatmosfera nel periodo e landamento della temperatura dellaria nello stesso periodo. Il pozzo naturale di questo composto è essenzialmente la fotosintesi che avviene nei vegetali. La riduzione della superficie forestale della Terra contribuisce pertanto allaumento della sua presenza nellatmosfera. continua

4 Vibrazioni molecolari e assorbimento dellenergia (2) 2) VAPORE ACQUEO Le molecole di acqua, sempre abbondanti nellaria, assorbono le radiazioni dellIR termico in conseguenza della vibrazione di flessione del legame HO H. Il picco nello spettro di assorbimento conseguente si trova in corrispondenza della di 6300 nm. Quindi quasi tutta la quantità relativamente modesta di radiazione IR messa la cui lunghezza donda è compresa nella regione di 5500 e 7500 nm (vedi figura 6) è intercettata dalle molecole divedi figura 6 vapore acqueo. Nella molecola dacqua esistono altri moti vibrazionali capaci di assorbire le radiazioni dellinfrarosso termico nella banda attorno a =12000 nm. In effetti lacqua è il più importante gas tra quelli responsabili delleffetto serra nellatmosfera, sebbene, per molecola, assorba meno efficientemente della CO 2. E importante rilevare che la tensione di vapore dellacqua, e conseguentemente la sua concentrazione nellatmosfera, aumenta esponenzialmente con laumentare della temperatura. Perciò la quantità di radiazione termica riemessa dalle molecole di acqua aumenta in conseguenza del riscaldamento causato dagli altri gas responsabili delleffetto serra, amplificando leffetto della temperatura. Le radiazioni dellinfrarosso termico sono assorbite anche dallacqua presente sotto forma di goccioline liquide nelle nubi. Tuttavia le nubi agiscono anche riflettendo, in direzione dello spazio, parte delle radiazioni UV e visibili provenienti dal sole. Non è ancora chiaro se laumento della copertura nuvolosa prodotto dallinnalzamento del contenuto di acqua nellatmosfera porterà un contributo netto positivo oppure negativo al fenomeno di riscaldamento planetario. E noto che le nubi presenti al di sopra delle regioni tropicali hanno un effetto netto pari a Zero, mentre quelle presenti alle latitudini settentrionali hanno un effetto netto di raffreddamento, poiché la loro capacità di riflettere le radiazioni solari supera quella di assorbire la componente IR. Conclusioni : in conseguenza dellassorbimento, dovuto soprattutto a CO 2 e H 2 O, sfuggono efficientemente dallatmosfera solo le radiazioni IR di compresa tra 8000 e nm (vedi figura 3). Poiché tali passano indisturbate, questa parte dello spettro è detta regione finestra.

5 Altre sostanze che hanno effetti sul riscaldamento planetario Alcuni gas, anche in tracce nellatmosfera, possiedono la caratteristica di assorbire le radiazioni IR termiche nella regione finestra, contribuendo così allaumento delleffetto serra (le altre regioni dello spettro dellIR termico sono infatti assorbite dallacqua e dallanidride carbonica). La gran parte di tali composti gassosi, sebbene la loro concentrazione sia molto bassa, presentano una elevata capacità di causare il riscaldamento dellaria (vedi Tabella).vedi Tabella A tale riguardo, i composti più importanti sono: Metano Protossido di azoto (N 2 O) Clorofluorocarburi Ozono

6 METANO Responsabili dellassorbimento nella regione dellinfrarosso termico, in corrispondenza della di 7700 nm, sono le vibrazioni di flessione che riguardano langolo di legame HCH di questo composto (vedi figura). La molecola delvedi figura metano causa un effetto termico 23 volte più grande di una molecola di CO 2. Tuttavia lattuale aumento del numero delle molecole di CO 2 nellatmosfera, pari a 80 volte quello delle molecole del metano, rendono meno importante il contributo di questo composto al riscaldamento globale. La sua concentrazione atmosferica ha raggiunto un valore quasi doppio rispetto a quello che aveva in epoca preindustriale; quasi tutto questo aumento si è verificato nel ventesimo secolo. Tale aumento è imputabile a diverse cause, che in ordine di importanza possono così essere riassunte: 1) Decomposizione anaerobica del materiale vegetale. Questo processo si verifica su vasta scala in ambienti umidi naturali quali paludi, stagni, risaie. 2) Formazione nellintestino dei ruminanti come prodotto secondario della digestione gastrica della cellulosa, e sua conseguente emissione nellaria. La diminuzione delle popolazioni di alcuni animali selvatici produttori di metano (es. i bufali) è stata ampiamente compensata dallenorme aumento della popolazione mondiale di bovini e ovini. 3) Decomposizione anaerobica di materiale organico presente nelle discariche. 4) La combustione di biomassa che si verifica nelle foreste e nelle savane tropicali e subtropicali. Si calcola che circa l 1% del carbonio consumato negli incendi venga liberato come metano, insieme a quantità maggiori di monossido di carbonio, a causa della combustione incompleta per scarsa disponibilità di ossigeno. 5)Perdite durante il trasporto e distribuzione del gas naturale (in massima parte costituito da metano). Il tempo di vita atmosferico del metano è di circa 15 anni. Responsabile per il 90% del suo allontanamento dallaria è La reazione col radicale ossidrile: CH 4 + OH· CH 3 · + H 2 O dalla quale poi, attraverso alcuni passaggi, si produce CO 2.

7 PROTOSSIDO DI AZOTO Sebbene sia presente in tracce, questo gas contribuisce significativamente allaumento delleffetto serra. LN 2 O assorbe le radiazioni IR in una banda centrata attorno alla di 8600 nm, che cade allinterno della regione finestra, a causa della vibrazione da flessione del legame nella molecola, la cui struttura è NNO. Inoltre la vibrazione da stiramento di legame ha una di 7800 nm, sulla spalla della regione finestra, che coincide con una delle assorbite dal metano (vedi figura). Per molecola, il protossido dazoto è 270 volte più efficace dellanidride carbonica come causa delvedi figura riscaldamento planetario. La sua concentrazione nellatmosfera attualmente è di 0,310 ppm e sta aumentando ad un tasso annuo dello 0,25%. E responsabile di circa un terzo dellaumento di temperatura di cui è ritenuto responsabile il metano. Gran parte della produzione naturale di questo gas deriva dalla sua liberazione dagli oceani, mentre la maggior parte del rimanente è prodotta attraverso processi che si verificano nei terreni delle regioni tropicali. LN 2 O è un prodotto secondario del processo di denitrificazione biologica in ambiente aerobico e del processo di nitrificazione in ambiente anaerobico (per la chimica di tali processi, vedi lo schema sintetico).schema sintetico Non esistono pozzi per il protossido dazoto nella troposfera, cosicché tutto questo gas finisce per passare nella stratosfera, dove ogni molecola assorbe luce UV decomponendosi di solito a N 2 e ossigeno atomico, oppure reagendo con lossigeno atomico presente in quella regione.

8 CLOROFLUOROCARBURI Tali composti gassosi sono, forse, tra i gas presenti in tracce, quelli con il potenziale maggiore per quanto riguarda gli effetti sul riscaldamento planetario, poiché hanno grande persistenza e assorbono fortemente le lunghezze donda comprese nella regione finestra di nm. Lassorbimento è dovuto alla vibrazione di tensione del legame CF, centrato alla di 9000 nm (vedi figura). Anche la vibrazione di tensione del legame CCl e quella davedi figura flessione di vari angoli di legame cui partecipano atomi di carbonio legati ad atomi di alogeni hanno frequenze che cadono nella regione finestra. Sono stati immessi in circa mezzo secolo quantità enormi di questi gas che, per la loro scarsissima reattività, che consente tempi lunghissimi di permanenza nellatmosfera, e per la loro grande efficacia nellassorbire la radiazione IR termica nella regione finestra, possono potenzialmente causare il medesimo effetto di decine di migliaia di molecole di CO 2 relativamente al riscaldamento planetario ( vedi Tabella ) vedi Tabella Nonostante la loro pericolosità è necessario però fare due considerazioni importanti: 1) Il riscaldamento prodotto da tali composti nella troposfera è contrapposto al raffreddamento che essi causano nella stratosfera, partecipando attivamente alleliminazione dellozono, la cui reazione di formazione, esotermica, contribuisce al riscaldamento di quella regione. Non è possibile stabilire comunque leffetto netto di tali azioni. 2) Paradossalmente, luso dei CFC nella costruzione dei pannelli isolanti per congelatori, frigoriferi e condizionatori ha ridotto il consumo di energia elettrica necessaria per ottenere gli effetti di raffreddamento prodotti da tali apparecchi e quindi le emissioni di CO 2 legate appunto alla produzione dellenergia elettrica.

9 OZONO Come il metano e il protossido dazoto, lozono è capace di aumentare leffetto serra, sebbene la sua permanenza nella troposfera sia ridotta. Esso si forma in questa regione sia per cause naturali che per linquinamento prodotto dalle attività umane. La vibrazione da tensione di legame di uno dei legami OO ha una lunghezza donda che cade nella regione nm, cioè nella regione finestra ( vedi figura). La vibrazione da flessione di legame vedi figura dellozono si verifica in prossimità di quella dellanidride carbonica. Questultima non contribuisce molto alleffetto serra poiché lanidride carbonica assorbe la massima parte delle radiazioni di questa frequenza. Lozono si forma nella troposfera a partire dagli atomi di ossigeno prodotti dalla dissociazione fotochimica del radicale biossido di azoto: NO 2 · UV-A NO· + O O + O 2 O 3 A causa dellinquinamento prodotto dalle centrali termoelettriche e dai veicoli a motore, i livelli di biossido diazoto nella troposfera, e conseguentemente di ozono, probabilmente sono aumentati dallepoca preindustriale. Una valutazione abbastanza affidabile stabilisce che circa il 10% dellaumento potenziale di riscaldamento dellatmosfera sia causato dallincremento dellozono troposferico.

10 Inquinamento Ossidi di azoto mi avvolgono Nella via dilaniata da mille auto Sopra i cartelloni che promettono paradisi Il mio occhio si affatica nella vana attesa di un passero Impossibile sorridere H. Littlelines

11 Le radiazioni solari e leffetto serra

12 Moti intramolecolari

13 Spettro di assorbimento della CO 2

14 Spettro della radiazione IR che lascia latmosfera Torna alla diapositiva protossido dazoto Torna alla diapositiva metano Torna alla diapositiva ozono Torna alla diapositiva clorofluorocarburi

15 Spettro di assorbimento IR dellacqua

16 Variazioni della CO 2 e della temperatura dellatmosfera Figura 4 Figura 5

17 Alcuni dati sui gas da effetto serra I valori riportati nella colonna Efficienza relativa per il riscaldamento indicano, per ciascun composto, il numero di molecole di CO 2 necessarie per causare gli stessi effetti, sul riscaldamento dellaria, di una molecola del composto stesso. Come si può facilmente notare, il composto di riferimento è la CO 2 stessa. Inoltre lefficienza relativa dei CFC è talmente elevata da renderli già pericolosi anche alle basse concentrazioni attuali. Torna alla diapositiva clorofluorocarburi

18 Produzione del protossido di azoto allinterno del ciclo biogeochimico dellazoto


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