L’inquinamento atmosferico: cause effetti rimedi CHIMICA AMBIENTALE L’inquinamento atmosferico: cause effetti rimedi Prof. S.Andini

COS’E’ L’INQUINAMENTO? L'inquinamento è un'alterazione dell'ambiente, di origine antropica o naturale, che produce disagi o danni permanenti per la vita di una zona e che non è in equilibrio con i cicli naturali esistenti. Non esiste una sostanza di per sé inquinante: è inquinamento tutto ciò che è nocivo per la vita o altera in maniera significativa le caratteristiche fisico-chimiche dell'acqua, del suolo o dell'aria, tale da cambiare la struttura e l'abbondanza delle associazioni dei viventi o dei flussi di energia e soprattutto ciò che non viene compensato da una reazione naturale o antropica adeguata che ne annulli gli effetti negativi totali. Benché possano esistere cause naturali che possono provocare alterazioni ambientali sfavorevoli alla vita, il termine "inquinamento" si riferisce in genere alle attività antropiche.

INQUINAMENTO ANTROPICO L’inquinamento è per lo più prodotto dall’attività industriale, agricola e urbana, raggiungendo poi i diversi comparti ambientali. E’ per questo che, per valutare il livello raggiunto dal degrado ambientale, è necessaria un’approfondita conoscenza dell’ambiente per essere in grado di rilevarne i cambiamenti nel tempo. Per analizzare la qualità dell’ambiente si ricorre ad indicatori ambientali, cioè a fattori osservabili o calcolabili che descrivono un fenomeno e i suoi effetti sui sistemi naturali. Gli indicatori possono essere di tipo: economico; sociale; chimico-fisico; biologico.

INQUINAMENTO ATMOSFERICO Per inquinamento atmosferico si intende l’alterazione della normale composizione dell’aria per effetto della presenza di contaminanti che arrechino disturbo o siano nocivi all’ambiente, nonché alle specie animali e vegetali che lo compongono. Le principali sorgenti di inquinamento comprendono: Trasporti su ruote, trasporti aerei e, in minima parte, navali; Scarichi industriali e inceneritori; Discariche abusive (produzione di metano, ammoniaca e anidride carbonica); Riscaldamenti domestici (produzione di anidride carbonica).

TIPOLOGIA DEGLI INQUINANTI Gli inquinanti vengono solitamente distinti in due gruppi: primari e secondari. Primari sono gli inquinanti che vengono immessi direttamente nell’ambiente in seguito al processo che li ha prodotti. Gli inquinanti secondari sono invece quelle sostanze che si formano dagli inquinanti primari a seguito di modificazioni di varia natura causate da reazioni che, spesso, coinvolgono l’ossigeno atmosferico e la luce. INQUINANTI PRIMARI Ossidi di Carbonio; Ossidi di Azoto; Anidride solforosa; Idrocarburi incombusti; Polveri sottili; Metalli Pesanti. INQUINANTI SECONDARI Acido nitrico; Anidride solforica; Ozono; Aldeide formica.

INQUINANTI PRIMARI I principali inquinanti primari sono quelli emessi nel corso dei processi di combustione incompleta, associata ad un alto valore del rapporto combustibile/aria: minore è la concentrazione di aria minore sarà la combustione, ossia maggiore sarà la quantità di inquinanti immessa in atmosfera! Monossido di Carbonio: è un gas incolore, inodore, infiammabile, e molto tossico. Si forma durante le combustioni delle sostanze organiche, quando sono incomplete per difetto di aria (cioè per mancanza di ossigeno). E’ perciò estremamente diffuso soprattutto nelle aree urbane, a causa dell’inquinamento prodotto dagli scarichi degli autoveicoli. Un’altra importante fonte di emissione è rappresentata dalle attività industriali, soprattutto impianti siderurgici e raffinerie di petrolio. Le principali emissioni naturali sono invece dovute agli incendi delle foreste, alle eruzioni dei vulcani, alle emissioni da oceani e paludi e all’ossidazione del metano e degli idrocarburi in genere emessi naturalmente in atmosfera.

INQUINANTI PRIMARI Anidride carbonica: Il biossido di carbonio è un ossido acido formato da un atomo di carbonio legato, mediante un legame covalente doppio, a due atomi di ossigeno. È una sostanza fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali. È ritenuta uno dei principali gas serra presente nell'atmosfera terrestre. A temperatura e pressione ambiente è un gas incolore e inodore; non è tossico in sé, ma non è respirabile e quindi può provocare la morte per asfissia . Il biossido di carbonio è il risultato della combustione di un composto organico in presenza di una quantità di ossigeno sufficiente a completarne l'ossidazione. In natura, viene anche prodotta da batteri aerobici durante il processo della fermentazione alcolica ed è il sottoprodotto della respirazione. Esposte alla luce, le piante assorbono biossido di carbonio dall'atmosfera attraverso la fotosintesi, tramite la quale biossido di carbonio ed acqua vengono convertiti in glucosio e ossigeno. In assenza di luce, anche le piante emettono biossido di carbonio in conseguenza della respirazione cellulare.

ASPETTO BIOLOGICO Il biossido di carbonio è un prodotto di rifiuto degli organismi che ottengono l'energia dall'ossidazione degli zuccheri o dei grassi, sistema di reazioni che fa parte del loro metabolismo, in un processo chiamato respirazione cellulare. Quest'ultimo è proprio di piante, animali, molti funghi e alcuni batteri. Negli animali superiori, il biossido di carbonio si muove nel sangue (in soluzione) andando dai tessuti del corpo ai polmoni, dove viene espirato. Un'atmosfera che contiene oltre il 5% di biossido di carbonio è tossica per gli esseri umani e per gli animali, dato che va a saturare l'emoglobina del sangue impedendole di legarsi all'ossigeno e bloccando quindi l'ossigenazione dei tessuti. Il biossido di carbonio è comunque molto meno tossico del monossido di carbonio, che produce incoscienza nel giro di pochi minuti e la possibilità di danni irreversibili e morte in breve tempo.

PRINCIPALI UTILIZZI Il biossido di carbonio solido è noto anche come ghiaccio secco; viene usato nei processi di raffreddamento e negli effetti speciali per creare la nebbia. Viene prodotto comprimendo il biossido di carbonio fino a farlo liquefare, quindi raffreddandolo e lasciandolo espandere velocemente. L'espansione causa una rapida caduta della temperatura che lo fa ghiacciare in cristalli simili a neve, che vengono quindi compressi. In un'atmosfera di biossido di carbonio il fuoco si spegne, per questo alcuni tipi di estintore contengono biossido di carbonio liquido sotto pressione a 250 atmosfere. Le acque minerali frizzanti e le bibite gassate devono la loro effervescenza all'aggiunta di biossido di carbonio. Alcune bibite, tra cui la birra ed i vini frizzanti contengono biossido di carbonio come conseguenza della fermentazione che hanno subito. Ancora, è il biossido di carbonio che fa lievitare gli impasti; molti lieviti, naturali o chimici, sviluppano biossido di carbonio per fermentazione o per reazione chimica. Infine, il biossido di carbonio è impiegato in alcuni tipi di laser industriali.

PRESENZA IN ATMOSFERA Nonostante la sua piccola concentrazione, la CO2 è un componente fondamentale dell'atmosfera terrestre perché - insieme al vapore acqueo ed al metano - intrappola la radiazione infrarossa della luce solare riflettendola nuovamente verso la superficie terrestre (il cosiddetto effetto serra) impedendo alla Terra di raffreddarsi. Sono stati i vulcani le prime fonti di biossido di carbonio atmosferico della Terra neonata, grazie ad essa si è potuto instaurare un clima favorevole allo sviluppo della vita. Oggi i vulcani rilasciano in atmosfera circa 130 - 230 milioni di tonnellate di biossido di carbonio ogni anno, ma questa quantità rappresenta solo l'1% della quantità di biossido di carbonio totale liberata in atmosfera dalle attività umane, che è pari a 50 000 tonnellate al minuto. Si stima che la concentrazione atmosferica di biossido di carbonio sia aumentata del 35% dai tempi della rivoluzione industriale e del 20% dal 1958. La combustione dei combustibili fossili (carbone, petrolio) è accusata di essere la principale causa di questo aumento, la deforestazione è la seconda.

Il biossido di carbonio viene prodotto principalmente da 6 processi: ANIDRIDE CARBONICA Il biossido di carbonio viene prodotto principalmente da 6 processi: Come prodotto secondario da impianti di produzione di ammoniaca e idrogeno, in cui il metano è convertito in biossido di carbonio; Da combustione di carburanti carboniosi; Come sottoprodotto della fermentazione; Da decomposizione termica di CaCO3; Come sottoprodotto della produzione di fosfato di sodio; Direttamente dai pozzi naturali di biossido di carbonio.

INQUINANTI PRIMARI Monossido di Azoto: è un gas incolore, insapore ed inodore. E’ prodotto soprattutto nel corso dei processi di combustione ad alta temperatura assieme al biossido di azoto (che costituisce meno del 5% degli NOx totali emessi). All’interno dei motori a combustione le elevate temperature permettono di bruciare non soltanto il combustibile, ma anche l’azoto per l’appunto, con formazione del composto NO; trattandosi però di una reazione esotermica, maggiore è la temperatura minore è la quantità di NO prodotta. L’NO viene poi ossidato in atmosfera dall’ossigeno e più rapidamente dall’ozono, producendo biossido di azoto. La tossicità del monossido di azoto è limitata, al contrario di quella del biossido di azoto che risulta invece notevole. Le sorgenti naturali sono costituite essenzialmente dalle decomposizioni organiche anaerobiche che riducono i nitrati a nitriti; i nitriti in ambiente acido formano acido nitroso che, essendo instabile, libera ossidi di azoto. Da segnalare anche l’azione dei fulmini, degli incendi e delle emissioni vulcaniche.

INQUINANTI PRIMARI Anidride solforosa: è un gas incolore molto solubile in acqua. E’ prodotta dalle industrie, e in particolare dalle centrali termoelettriche, tramite il processo di combustione dello zolfo in presenza di aria: S + O2 → SO2 L’attuale normativa impone l’abbattimento dell’anidride solforosa da parte degli stessi stabilimenti che la producono, per cui la sua immissione in atmosfera è sicuramente limitata rispetto al passato. È costituita da molecole a forma di V il cui vertice è occupato dall'atomo di zolfo:

INQUINANTI PRIMARI Idrocarburi incombusti: Gli idrocarburi incombusti, in generale, sono composti chimici derivanti da una combustione incompleta di molecole contenenti carbonio e idrogeno. Appartengono a questa categoria il metano, il benzene, i cloro-fluoro-carburi (CFC), gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) e le diossine, prodotti dal traffico veicolare e dall’attività degli inceneritori.

INQUINANTI PRIMARI Polveri sottili (PM): Spesso il particolato rappresenta l’inquinante a maggiore impatto ambientale nelle aree urbane, tanto da indurre le autorità competenti a disporre dei blocchi del traffico per ridurne il fenomeno. Le particelle sospese sono sostanze allo stato solido o liquido che, a causa delle loro piccole dimensioni, permangono in atmosfera per tempi più o meno lunghi. Possono essere costituite da diverse sostanze: sabbia, ceneri, polveri, fuliggine, sostanze silicee di varia natura, sostanze vegetali, composti metallici, fibre tessili naturali e artificiali, sali, elementi come il carbonio o il piombo, ecc, e in base alla loro natura e alle loro dimensioni possiamo distinguerle in: - aerosol: costituiti da particelle solide o liquide sospese in aria, aventi un diametro inferiore a 1 µm; - foschie: costituite da goccioline con diametro inferiore a 2µm; - esalazioni: costituite da particelle solide con diametro inferiore ad 1µm e rilasciate solitamente da processi chimici e metallurgici; - fumo: dato da particelle solide di solito con diametro inferiore ai 2 µm e trasportate da miscele di gas; - polveri (vere e proprie): costituite da particelle solide con diametro fra 0,25 e 500 µm; - sabbie: date da particelle solide con diametro superiore ai 500 µm.

INQUINANTI PRIMARI: PM Le particelle primarie sono quelle che vengono emesse come tali dalle sorgenti naturali ed antropiche, mentre le secondarie si originano da una serie di reazioni chimiche e fisiche in atmosfera. Le particelle fini sono quelle che hanno un diametro inferiore a 2,5 µm, le altre sono dette grossolane. Le polveri fini derivano principalmente da processi di combustione, mentre la frazione grossolana delle polveri si origina in genere da processi meccanici. Le polveri PM10 rappresentano il particolato che ha un diametro inferiore a 10 micrometri, mentre le PM2,5, che costituiscono circa il 60% delle PM10, rappresentano il particolato che ha un diametro inferiore a 2,5 micrometri. Le principali fonti naturali di particolato sono le eruzioni vulcaniche, gli incendi boschivi, l’erosione e la disgregazione delle rocce, le piante (pollini e residui vegetali), le spore, lo spray marino e i resti degli insetti. Il particolato di origine antropica è invece dovuto all’utilizzo dei combustibili fossili (riscaldamento domestico, centrali termoelettriche, ecc.), alle emissioni degli autoveicoli, all’usura dei pneumatici, dei freni e del manto stradale e a vari processi industriali (fonderie, miniere, cementifici, ecc.). Da segnalare anche le grandi quantità di polveri che si possono originare in seguito a particolari attività agricole. Vengono dette polveri inalabili quelle in grado di penetrare nel tratto superiore dell’apparato respiratorio (dal naso alla laringe), polveri toraciche quelle in grado di raggiungere i polmoni, polveri respirabili quelle invece in grado di penetrare nel tratto inferiore dell’apparato respiratorio (dalla trachea fino agli alveoli polmonari).

INQUINANTI PRIMARI Metalli pesanti: Il termine metallo pesante si riferisce a tutti gli elementi chimici metallici che hanno una densità relativamente alta e sono tossici in basse concentrazioni. Tra i metalli immessi in atmosfera si riconoscono Platino, Iridio e Palladio, rilasciati dalle marmitte catalitiche in cui fungono appunto da catalizzatori. In particolare, circa un quintale di Platino viene ogni anno emesso dagli autoveicoli in forma clorata, cioè sottoforma di cloroplatinati, responsabili dell’insorgenza di dermatiti e problemi all’apparato respiratorio. I metalli pesanti sono pericolosi perché tendono a bioaccumularsi. Bioaccumulazione significa un aumento nella concentrazione di un prodotto chimico in un organismo biologico col tempo, ogni volta che viene assimilato ed immagazzinato più velocemente di quanto non sia scomposto (metabolizzato) o espulso. 

INQUINANTI SECONDARI Acido nitrico: Il biossido di azoto è un gas tossico di colore giallo-rosso, dall’odore forte e pungente e con grande potere irritante; è un energico ossidante, molto reattivo e quindi altamente corrosivo. Rappresenta un inquinante secondario dato che deriva, per lo più, dall’ossidazione in atmosfera del monossido di azoto. Il biossido di azoto svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello smog fotochimico in quanto costituisce l’intermedio di base per la produzione di tutta una serie di inquinanti secondari molto pericolosi come l’ozono, l’acido nitroso, gli alchilnitrati, i perossiacetililnitrati, ecc.

INQUINANTI SECONDARI Anidride solforica: Il triossido di zolfo o anidride solforica è un composto corrosivo che reagendo con l’acqua produce acido solforico, secondo la seguente reazione: SO3 + H2O → H2SO4 E’ prodotta dall’ossidazione dell'anidride solforosa, generata normalmente dalla combustione della pirite o dello zolfo, a temperature comprese tra i 400-600 °C e in presenza dei catalizzatori di vanadio o platino. S + 3/2 O2 → SO3

INQUINANTI SECONDARI Ozono: L’ozono è un gas tossico di colore bluastro, costituito da molecole instabili formate da tre atomi di ossigeno (O3); queste molecole si scindono facilmente, per effetto di radiazioni solari di piccola lunghezza d’onda, liberando ossigeno molecolare (O2) ed un atomo di ossigeno estremamente reattivo, perché caratterizzato da due cariche negative libere: O3 —> O2+O Per queste sue caratteristiche l’ozono è quindi un energico ossidante in grado di demolire sia materiali organici che inorganici. Ciascun atomo di O prodotto dalla reazione sopra descritta è ovviamente in grado di reagire con una molecola O2, formando O3; si tratta quindi di una reazione di equilibrio che permette di mantenere costante le concentrazioni di O2 e O3, a meno dell’intervento dell’uomo.

INQUINANTI SECONDARI: L’OZONO L’ozono è presente per più del 90% nella stratosfera (la fascia dell’atmosfera che va dai 10 ai 50 Km di altezza) dove viene prodotto dall’ossigeno molecolare per azione dei raggi ultravioletti solari. A più di 30 Km di altezza le radiazioni UV con lunghezza d’onda inferiore ai 242 nm dissociano l’ossigeno molecolare in ossigeno atomico che, per la sua reattività, si combina rapidamente con una molecola di ossigeno originando l’ozono (O+O2 —> O3). A loro volta le molecole di ozono, che si formano nel corso di questa reazione, assorbono le radiazioni solari con lunghezza d’onda compresa fra 240 e 340 nm, e questo ne provoca la fotolisi, responsabile della liberazione di un atomo e di una molecola di ossigeno (O3 —> O2+O). In definitiva questi processi instaurano un equilibrio dinamico che mantiene la concentrazione di ozono pressoché costante e che permette di schermare più del 90% delle pericolose radiazioni UV provenienti dal sole. L’abbattimento delle radiazioni UV ad elevata energia fa sì che nella troposfera inferiore questo meccanismo di formazione dell’ozono non sia attivo, per cui l’ozono troposferico è presente esclusivamente per il ridotto scambio atmosferico fra troposfera e stratosfera e per la formazione di ozono a partire da inquinanti atmosferici primari. Nella troposfera la sorgente principale di ozono è data dal biossido di azoto che in presenza della luce solare dà origine per fotolisi all’ossigeno atomico (che produce l’ozono reagendo con l’ossigeno molecolare). Una notevole quantità di ozono viene anche prodotta nel corso delle ossidazioni degli idrocarburi presenti nell’aria. La produzione di ozono da parte dell’uomo è, quindi, indiretta dato che questo gas si origina a partire da molti inquinanti primari. Per estensione si può quindi affermare che le principali sorgenti antropogeniche risultano essere quelle che liberano gli inquinanti precursori e cioè il traffico automobilistico, i processi di combustione, l’evaporazione dei carburanti, i solventi, ecc.

INQUINANTI SECONDARI: L’OZONO La capacità dell’ozono di assorbire i raggi ultravioletti ad elevata energia deriva dalla sua struttura elettronica: ciascuno dei tre atomi che costituiscono la molecola O3 possiede una coppia di elettroni delocalizzata, che costituisce un doppio legame tra i singoli nuclidi. Tali elettroni, assorbendo l’energia proveniente dal sole, hanno la possibilità di passare ad un orbitale più interno attraverso un salto quantico; l’energia viene poi restituita all’esterno sottoforma di calore, rendendo possibile un relativo riscaldamento di quella porzione atmosferica. Se i raggi ultravioletti con una lunghezza d’onda compresa fra 240 e 340 nm raggiungono la superficie terrestre, possono generare effetti devastanti sull’uomo e sugli organismi vegetali: nel primo caso producono mutazioni genetiche responsabili dello sviluppo del cancro, nel secondo l’ingiallimento delle foglie.

INQUINANTI SECONDARI Aldeide formica: La formaldeide è la più semplice delle aldeidi, con formula chimica HCHO. In soluzione acquosa al 37% è commercialmente nota anche con il nome di formalina. L'atomo di carbonio occupa il centro di un triangolo circa equilatero, ai cui vertici si trovano i due atomi di idrogeno e quello di ossigeno. E’ prodotta dalla decomposizione fotolitica delle sostanze organiche, grazie naturalmente all’azione delle radiazioni solari, oppure attraverso l’ossidazione catalitica del metano, tramite particolari procedimenti industriali. La formaldeide è un potente battericida; le soluzioni acquose di formaldeide trovano largo impiego come disinfettanti per uso domestico e nella produzione di tessuti a livello industriale. Nella formalina vengono anche conservati campioni di materiale biologico. A contatto con l’aria libera il radicale OH, per mezzo dell’interazione con i raggi solari, il quale risulta il principale responsabile della pulizia dell’aria, poiché è in grado di reagire con quasi tutti gli elementi chimici presenti in atmosfera, rendendoli innocui.

EFFETTI SULL’AMBIENTE Il meccanismo di aggressione operato dagli inquinanti può essere estremamente rapido o prolungato nel tempo, a seconda del gran numero di fattori che possono essere implicati nel fenomeno. Gli inquinanti possono agire a livello locale magari distruggendo un’area boschiva relativamente piccola, oppure possono agire a livello globale, interessando tutte le popolazioni della terra. Fenomeni come l’insorgenza dello smog fotochimico interessano generalmente solo le aree a grande urbanizzazione, mentre l’azione delle piogge acide è di più vasta portata, interessando sia le zone più industrializzate che le aree distali. L’azione dell’effetto serra coinvolge tutte le nazioni, sia quelle civilizzate che quelle in via di sviluppo, mentre gli effetti di molti inquinanti industriali possono essere localizzati semplicemente a ridosso dell’area di produzione.

EFFETTI SULL’AMBIENTE L’inquinamento atmosferico comporta innanzitutto la variazione della naturale composizione dell’atmosfera. L‘atmosfera terrestre è l'involucro di gas che riveste il pianeta Terra; la sua composizione chimica media al suolo è la seguente: Azoto (N2): 78,08% Ossigeno (O2): 20,95% Argon (Ar): 0,93% Vapore acqueo (H2O): 0,33% in media (variabile da circa 0% a 5-6%) Biossido di carbonio (CO2): 0,032% (320 ppm) Neon (Ne): 0,00181% (18 ppm) Elio (He): 0,0005% (5 ppm) Metano (CH4): 0,0002% (2 ppm) Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm) Kripton (Kr): 0,000011% (0,11 ppm) Xeno (Xe): 0,000008% (0,08 ppm) Ozono (O3): 0,000004% (0,04 ppm) Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di azoto (NO, NO2; N2O), Monossido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH3), Biossido di zolfo (SO2), Solfuro di idrogeno (H2S).

La ricaduta delle particelle può avvenire in due modi: LE PIOGGE ACIDE La pioggia ha origine dalla condensazione del vapore acqueo presente in atmosfera e, all'atto della sua formazione, è praticamente neutra, cioè non contiene sostanze estranee. Gli ossidi di zolfo e quelli di azoto, una volta immessi in atmosfera, possono venire a contatto con l'acqua delle nubi, trasformandosi rispettivamente in acido solforico e acido nitrico. Questi acidi vengono poi trasportati con le precipitazioni atmosferiche sulla superficie terrestre, dando origine a un fenomeno noto come piogge acide. Il termine si riferisce al fatto che in questi casi il pH della pioggia è inferiore al valore di 5,6, presente in condizioni normali. La ricaduta delle particelle può avvenire in due modi: ricaduta "umida" (le piogge, la neve ecc.); ricaduta "secca" (deposizione al suolo); Nei casi di ricaduta "secca" la forma acida tende a formarsi solo successivamente alla deposizione sul terreno; quando invece la ricaduta avviene in modo "umido" tendono a formarsi acidi prima ancora che l'acqua si depositi sul terreno.

L’ACIDIFICAZIONE ACIDO SOLFORICO: SO3 + H2O -> H2SO4 ACIDO NITRICO: Nell’atmosfera l’acqua è presente sotto forma di vapore che condensando determina la formazione delle gocce; queste, essendo costituite da sola acqua, hanno un pH pari circa a 7,0. La dissoluzione dell’anidride carbonica (CO2), presente naturalmente nell’atmosfera, produce l’acido carbonico [H2O + CO2 —> H2CO3] che causa un abbassamento del pH delle gocce a valori intorno a 5,5 e cioè a valori considerati naturali. In presenza di anidride solforica e di biossido di azoto l’acqua reagisce formando rispettivamente acido solforico e nitrico, che essendo acidi forti determinano un ulteriore abbassamento del pH a valori estremamente bassi. ACIDO SOLFORICO: SO3 + H2O -> H2SO4 ACIDO NITRICO: NO2 + H2O -> HNO3 SO2+O2 -> SO3+O NO+O2 -> NO2+O Le sostanze a base di zolfo tendono a ricadere al suolo mediante la pioggia, per cui si registrano elevate concentrazioni nelle zone a maggiore precipitazione piovosa. La restante parte dei composti a base di zolfo si deposita vicino ai luoghi di emissione entro pochi giorni, mediante deposizione secca. Le sostanze a base di azoto restano per molto tempo nell'atmosfera. La ricaduta al suolo quindi non coincide con il luogo di origine delle emissioni inquinanti. Il ruolo dei venti diventa quindi fondamentale per comprendere la distribuzione delle sostanze acide.

DIFFUSIONE Le nazioni più colpite sono quelle sulle quali, per effetto dei venti dominanti, si scaricano le nubi acide prodotte anche in altri paesi. Il problema è particolarmente grave per il Canada che riceve le piogge acide statunitensi, mentre in Europa le nazioni più colpite sono quelle scandinave. In queste aree l’abbassamento del pH in migliaia di laghi ha provocato la scomparsa di numerose specie animali e vegetali.

Azione delle piogge acide su di una foresta dell'Europa Settentrionale EFFETTI EFFETTI SULLA VISIBILITA’ EFFETTI SUI MATERIALI EFFETTI SULL’UOMO Al   diminuire del pH   scompaiono   diverse specie   presenti nei corpi   idrici.  Azione delle piogge  acide su di una  foresta dell'Europa  Settentrionale

IL BUCO DELL’OZONO Si definisce comunemente buco dell'ozono il generico assottigliamento dello strato di ozono della stratosfera, riscontrato a partire dai primi anni ottanta. Quando un raggio ultravioletto colpisce una molecola di ozono, questa lo assorbe scindendosi in O2 + O. L'ossigeno monoatomico formato reagisce con una molecola di O2 per formare ancora ozono e il ciclo quindi ricomincia. In seguito le radiazioni solari dissociano una molecola di ozono in una di ossigeno biatomico ed una in ossigeno monoatomico: O3 + radiaz. UV -> O2 + O L'equilibrio di queste reazioni fotochimiche è facilmente perturbato da molecole che possono interferire, come i composti clorurati, i bromurati e gli ossidi di azoto prodotti dall'attività antropica. In particolare i clorofluorocarburi (o CFC, utilizzati nei circuiti di refrigerazione dei frigoriferi e negli impianti di condizionamento) sono considerati fra i principali responsabili del buco dell'ozono. Sono stati perciò sostituiti dagli idroclorofluorocarburi (HCFC), in grado di deteriorare la fascia di ozono, ma meno efficacemente dei CFC poiché parte degli atomi di Cl sono rimpiazzati da H.

CAUSE NATURALI CICLO SOLARE: variazione ciclica di durata pari a 11 anni legata all’attività solare; VARIABILITA’ NATURALE INTRINSECA: oscillazioni annuali pari anche al 40%; FENOMENI CASUALI: possono provocare variazioni pari fino al 10%; un esempio è offerto dalle eruzioni vulcaniche. CONDIZIONI METEREOLOGICHE: variazioni pari al 30-50% che possono presentarsi in particolari periodi dell’anno e hanno un durata di pochi giorni. comporta una fluttuazione dell’ozono pari all’1-2%.

CAUSE ANTROPICHE A partire dal 1979, alle latitudini più popolate del globo si è osservata una diminuzione dell’ozono pari al 5% ogni 10 anni. Nel periodo inverno-primavera nella fascia dell’emisfero settentrionale fra i 60° e gli 80° di latitudine la diminuzione è stata superiore del 7,5% ogni dieci anni. Le zone equatoriali hanno invece registrato solo una riduzione decennale dell’1,8%, probabilmente a causa degli effetti dell’eruzione del Monte Pinatubo (1991). Il cosiddetto “buco dell’ozono” situato sopra l’Antartide si ripresenta periodicamente all’inizio della primavera, nel periodo settembre-ottobre, e consiste in un brusco assottigliamento (anche del 60%) che dura per un paio di mesi; purtroppo dopo questo periodo il buco non si richiude totalmente ed in genere ogni anno si ripresenta di dimensioni ancora maggiori. L’assottigliamento risulta più marcato in questa zona del globo soprattutto per l’azione determinante che ha il freddo nei meccanismi di degradazione dell’ozono e per effetto dell’azione delle correnti atmosferiche, che distribuiscono gli inquinanti su tutto il pianeta. L’accumulo di queste sostanze si registra proprio in corrispondenza del Polo Sud perché è qui che esiste una differenza di temperatura pari a 50gradi tra mare e banchisa. Questa differenza produce particolari correnti ascensionali …

DISTRUZIONE DELL’OZONO …Durante l’inverno australe (Maggio-Giugno) il Polo Sud si trova completamente immerso nelle tenebre; nella media e bassa stratosfera si rende così evidente l’azione di una forte corrente circumpolare chiamata vortice polare. Questo vortice isola le grandi masse d’aria posizionate sopra il polo che, per l’assenza dei raggi solari e per la mancanza di scambi termici con altre masse d’aria, diventano sempre più fredde, fino a raggiungere una temperatura pari a -80gradi. La formazione di particelle di ghiaccio consente l’adsorbimento di molecole di cloro e bromo, derivanti dalla degradazione di quelle sostanze responsabili della degradazione dell’O3. All’insorgere della Primavera australe (Ottobre-Novembre) l’azione dei raggi del sole provoca la dispersione delle nubi stratosferiche polari e la scissione delle molecole biatomiche di cloro e bromo in singoli atomi altamente reattivi. Gli atomi degli alogeni (cloro o bromo) agiscono come catalizzatori, combinandosi a ripetizione con molecole di ozono e formando una molecola di ossigeno e un monossido (ad es. Cl+O3 —> O2+ClO). Il monossido si combina poi con un atomo di ossigeno liberando ossigeno molecolare e un atomo dell’alogeno che ricomincia il processo (ClO+O —> O2+Cl). Con questo ciclo ripetitivo un singolo atomo di cloro o bromo può distruggere centinaia di molecole di ozono prima di venire neutralizzato (da sostanze come il metano, il perossido di idrogeno o l’idrogeno molecolare ma, non essendo questi costituenti principali dell’atmosfera, l’evento è piuttosto raro). Recentemente si è comunque individuato un assottigliamento della fascia di ozono anche in una piccola zona al Polo Nord, sopra il Mare Artico, fatto che potrebbe preludere alla formazione di un altro buco dalla parte opposta, anche se la differenza di temperatura tra mare e banchisa non è poi così grande.

EFFETTI SULL’AMBIENTE IL BUCO DELL’OZONO EFFETTI SULL’UOMO Mutazioni genetiche con sviluppo del cancro; Indebolimento del sistema di difesa immunitario; Aumento delle malattie. EFFETTI SULL’AMBIENTE Danni a carico della flora e della fauna; Rallentamento della crescita delle foglie; Riduzione della resa dei raccolti.

LO SMOG FOTOCHIMICO Seattle Bangkok Lo smog fotochimico è un particolare inquinamento dell’aria che si produce nelle giornate caratterizzate da condizioni meteorologiche di stabilità e di forte insolazione. Gli ossidi di azoto (NOx) e i composti organici volatili (VOC) vanno incontro ad un complesso sistema di reazioni fotochimiche indotte dai raggi ultravioletti del sole; il tutto porta alla formazione di ozono (NO2 + O2 → NO + O3), uno dei principali costituenti dello smog fotochimico. L’ozono reagisce a sua volta con le sostanze organiche degradate a radicali liberi dai raggi ultravioletti, formando perossiacetil nitrato (PAN), perossibenzoil nitrato (PBN), aldeidi e centinaia di altre sostanze, tutte estremamente tossiche e nocive. Questo particolare smog si può facilmente individuare per il suo caratteristico colore che va dal giallo-arancio al marroncino, colorazione dovuta alla presenza nell’aria di grandi quantità di biossido di azoto. Seattle Bangkok

VARIABILI IMPLICATE La formazione e la diffusione dello smog fotochimico sono influenzate da diverse importanti variabili, in primo luogo meteorologiche e topografiche: Le precipitazioni atmosferiche possono, ad esempio, diminuire l’inquinamento per il dilavamento degli inquinanti; I venti possono trasportare lo smog in aree lontane e rimpiazzare le masse d’aria inquinata con aria pulita; le inversioni di temperatura possono aumentare la criticità dei fenomeni di inquinamento da smog fotochimico. Di solito durante il giorno l’aria vicino alla superficie si riscalda e mentre si riscalda sale trasportando gli inquinanti a maggiori altezze. Questo favorisce  la rimozione  degli inquinanti  che si disperdono nell’ambiente. Nel caso in cui sia invece presente una inversione di temperatura gli inquinanti restano intrappolati vicino alla superficie del suolo. Le inversioni di temperatura causano quindi una riduzione nel rimescolamento delle masse d’aria e impediscono così la dispersione degli inquinanti, per pochi giorni o anche per diverse settimane. La topografia è un altro importante fattore che influenza notevolmente la gravità di un fenomeno di smog fotochimico. Le comunità situate nelle valli sono più suscettibili allo smog fotochimico perché le montagne e le colline che le circondano tendono a limitare il rimescolamento dell’aria, favorendo un aumento nella concentrazione degli inquinanti. Oltre a questo, le valli sono più sensibili all’inquinamento da smog fotochimico perché in queste aree si sviluppano spesso delle inversioni termiche particolarmente rilevanti. Climi particolarmente caldi, tipici delle basse latitudini, aumentano la frequenza del fenomeno; le città più a nord sono invece più soggette allo smog solo nei mesi estivi. Lo smog risulta più diffuso nelle aree a grande densità abitativa proprio perché in queste zone risultano maggiori le emissioni che liberano nell’aria gli idrocarburi incombusti e gli ossidi di azoto.

EFFETTI SULL’UOMO L’esposizione prolungata ad alte concentrazioni di smog è assolutamente da evitare in quanto può causare: - asma, bronchiti, tosse e senso di oppressione al petto; - l’aumento della suscettibilità alle infezioni respiratorie; - una diminuzione della funzionalità e della performance polmonare; - l’aumento del rischio di contrarre un cancro ai polmoni; - fibrosi (che comportano una perdita nell’elasticità polmonare e nella funzionalità dei tessuti); - l’invecchiamento precoce dei polmoni ed il rischio di una diminuzione permanente nella capacità polmonare; - il danneggiamento del tessuto polmonare; - un continuo ed assillante mal di testa.

EFFETTI SULL’AMBIENTE Gli effetti ambientali dello smog fotochimico sono particolarmente evidenti sui vegetali: diminuzione della produttività agricola e della qualità dei prodotti; riduzione della fotosintesi e della velocità di crescita delle piante; le piante diventano più suscettibili all’attacco di insetti e parassiti vari, più sensibili alla mancanza di nutrienti e meno resistenti alle avverse condizioni climatiche. L’ozono può causare il deterioramento delle gomme e delle plastiche, una riduzione nella resistenza dei composti tessili ed il danneggiamento delle vernici. L’ozono può anche danneggiare opere d’arte e libri, per cui vari musei e librerie hanno da tempo preso delle precauzioni per minimizzarne gli effetti. Tutte le altre sostanze presenti nello smog fotochimico hanno degli effetti più o meno pronunciati a carico dell’ambiente, ma la loro presenza è solitamente di importanza secondaria, anche se non si possono escludere vari effetti sinergici.

L’EFFETTO SERRA L’effetto serra è un fenomeno senza il quale la vita come la conosciamo adesso non sarebbe possibile. Questo processo consiste in un riscaldamento del pianeta per effetto dell’azione dei cosiddetti gas serra, composti presenti nell’aria a concentrazioni relativamente basse; comprendono: anidride carbonica vapor acqueo metano, ecc. I gas serra permettono alle radiazioni solari di passare attraverso l’atmosfera mentre ostacolano il passaggio verso lo spazio di parte delle radiazioni infrarosse provenienti dalla superficie della Terra e dalla bassa atmosfera (il calore riemesso), favorendo la regolazione ed il mantenimento della temperatura terrestre intorno ai 15°C circa. Le enormi emissioni antropogeniche di gas serra stanno causando un aumento della temperatura terrestre determinando, di conseguenza, dei profondi mutamenti a carico del clima, sia a livello planetario che locale.

IL MECCANISMO Le radiazioni provenienti dal sole non raggiungono la superficie terrestre nella loro totalità: nella misura del 25% vengono assorbite dal pulviscolo, dal vapor acqueo, dall’ozono e da molti altri gas presenti nell’atmosfera, mentre per il 30% vengono riflesse nello spazio dal pulviscolo atmosferico, dalle nuvole e dalla superficie terrestre. La frazione della radiazione solare totale che viene riflessa da un corpo qualsiasi viene anche definita albedo. La radiazione solare rimanente viene assorbita dai materiali e dagli organismi presenti sulla superficie terrestre. L’energia ricevuta complessivamente dalla superficie terrestre e dalla troposfera viene poi riemessa sottoforma di energia termica, attraverso raggi infrarossi. I gas serra presenti in atmosfera assorbono gran parte di questa radiazione per poi reirradiarla in tutte le direzioni. Circa il 6% di questa energia si perde nello spazio, parte viene riassorbita nuovamente dai composti atmosferici, mentre la quantità maggiore dell’energia viene restituita alla terra, riscaldandola.

I GAS SERRA I gas serra sono i gas atmosferici che assorbono le radiazioni infrarosse con una lunghezza d’onda pari a 10-12nm, capaci di trasportare la maggio parte del calore proveniente dal sole. Possono avere sia un’origine naturale che antropica: NATURALI vapore acqueo (H2O); Evaporazione biossido di carbonio (CO2); ossido di diazoto (N2O); metano (CH4); ozono (O3). ANTROPOGENICI Biossido di carbonio; Monossido di carbonio; Ossido di diazoto; Metano; CFC; HCFC Combustione di combustibili fossili, rifiuti solidi, legno e suoi derivati; deforestazione. Oceani, sedimenti fossili, respirazione. Produzione e trasporto di carbone, gas naturali e oli minerali; decomposizione dei rifiuti organici. Degradazione materiale organico in ambiente anaerobico Refrigeranti, propellenti, gas per elettrochimica. I gas che favoriscono l'effetto serra sono quelli che hanno una struttura molecolare asimmetrica: in generale quindi tutti i gas biatomici che si trovano nell’atmosfera non sono buoni gas serra (proprio perché hanno una struttura sicuramente lineare) mentre il metano (CH4), l’ozono (O3), il vapore acqueo (H2O), l’ossido nitroso (N2O), i gas fluorurati (CFC, HCFC) sono buoni gas serra proprio perché hanno una struttura asimmetrica. Caso particolare è l’anidride carbonica (CO2) che pur avendo una struttura lineare (con i tre atomi in fila O-C-O), è tuttavia molto più abbondante in atmosfera rispetto ad altri gas ed è per questo considerato uno dei maggiori responsabili dell’effetto serra. I gas serra mostrano però tra loro un differente potere di assorbimento, il cosiddetto “potenziale serra”. Ad esempio, il metano mostra un potenziale serra 23 volte maggiore rispetto a quello caratterizzante l’anidride carbonica, ma resta comunque questa il maggior responsabile del fenomeno, per le ragioni in precedenza esposte.

MONITORAGGIO Per misurare la variazione nel tempo della concentrazione dei gas serra in atmosfera si procede con un metodo per confronto, considerando cioè un fattore di riferimento. Si analizza un luogo “tipo” che non risulti essere inquinato e si misura la concentrazione nel tempo dei gas serra; in genere, anche in territori non contaminati, il contenuto di CO2 comunque tende ad aumentare nel tempo. Tale incremento è associato in realtà ad un aumento di CO2 su scala globale, che si ripercuote anche su aree in cui non si registra una produzione diretta di inquinanti. Per tali ragioni si prevede che, entro il 2030, la concentrazione di CO2 in atmosfera raggiungerà livelli esorbitanti, a meno che non vengano adottate delle misure in grado di contrastarne l’immissione nei sistemi naturali. Il problema sostanziale consiste nel fatto che ad un aumento della CO2 corrisponde un aumento delle temperature globali, situazione aggravata anche da tutti gli altri gas serra presenti naturalmente in atmosfera, di cui il principale responsabile del surriscaldamento terrestre è il vapore acqueo. Inoltre, il possibile aumento dell’attività delle macchie solari, produrrebbe intensi fenomeni di evaporazione che andrebbero ad incrementare ulteriormente il contenuto d’acqua in atmosfera.

EFFETTI SULL’AMBIENTE L’incremento della temperatura della Terra può provocare una serie di effetti ambientali di notevoli proporzioni: - L’aumento del calore e quindi dell’evaporazione dai grandi bacini idrici comporta un aumento corrispondente della quantità d’acqua in atmosfera e quindi un aumento delle precipitazioni. Alcuni ricercatori ritengono che queste siano cresciute di circa l’uno per cento su tutti i continenti nell’ultimo secolo, con un conseguente aumento delle inondazioni e dell’erosione a carico del terreno. - Il riscaldamento globale comporta anche una diminuzione complessiva delle superfici glaciali: le grandi masse di ghiaccio della Groenlandia e dei ghiacciai continentali stanno arretrando notevolmente. - L’aumento del volume oceanico a causa della temperatura più alta e lo scioglimento dei ghiacci provocano anche l’innalzamento del livello medio del mare: negli ultimi cento anni è cresciuto approssimativamente di 15-20 cm. - In molte zone tropicali si assiste ad una riduzione dell’umidità del suolo che comporta una diminuzione nella resa agricola; molte aree, anche in Europa, sono a rischio di desertificazione: - Inquinamento biologico delle acque per proliferazione dei vari organismi infestanti; - Fenomeni di eutrofizzazione delle acque.

CAMBIAMENTI CLIMATICI L’aumento della concentrazione dei gas serra in atmosfera sta causando un corrispondente incremento della temperatura globale della Terra. Si ritiene che la temperatura media globale superficiale possa aumentare di 1,1-6,4°C nel secolo in corso, pur con significative variazioni regionali. Il riscaldamento è maggiore nelle aree urbane, sia a causa dei cambiamenti che si sono verificati nelle coperture dei terreni, sia per il consumo di energia che avviene nelle aree densamente sviluppate.

EFFETTI SULL’UOMO L’aumento delle temperature a causa del riscaldamento globale provocato dall’incremento della concentrazione dei gas serra nell’atmosfera può comportare sia effetti diretti che indiretti per la salute dell’uomo: Problemi cardiaci e respiratori per aumento della temperature e della quantità di O3 in prossimità della superficie; Aumento delle malattie infettive.

CLATRATI DI METANO Il ghiaccio presenta una struttura molecolare molto particolare, in cui le molecole d’acqua risultano legate mediante 4 legami a ponte di idrogeno. Tra molecole contigue si individua la presenza di spazi vuoti di forma esagonale, che possono essere eventualmente occupati da molecole apolari. Difatti, quando una molecola non polare è posta in acqua, si ha la rottura di alcuni ponti a idrogeno; tali molecole vengono perciò intrappolate in una struttura rigida e ordinata chiamata CLATRATO. Riassumendo, i clatrati sono solidi in cui le molecole di gas occupano gli spazi vuoti presenti tra le molecole d’acqua costituenti cristalli di ghiaccio. Un esempio è offerto dal “clatrato di metano” presente nel permafrost e lungo le scarpate oceaniche. L’ammontare di metano potenzialmente intrappolato è pari a circa 100 volte rispetto a quello contenuto nelle riserve naturali poste sotto la superficie terrestre (giacimenti di carbone, petrolio e gas naturali). Essi, quindi, costituiscono un’eccezionale riserva di gas metano e potrebbero perciò essere sfruttati per ottenere combustibili, ma ancora non sono state individuate tecniche di estrazione idonee. Va però ricordato che, essendo il metano un potente gas serra con un elevato potenziale serra, il possibile scioglimento dei ghiacciai per effetto del riscaldamento terrestre potrebbe comportare l’immissione di notevoli quantità di metano in atmosfera, oltre che nelle acque superficiali, concorrendo ad un ulteriore incremento delle temperature globali.

FONTI ALTERNATIVE Per contenere l’effetto serra sarebbe necessario ridurre i consumi, utilizzando l’energia in modo più razionale! Si potrebbe quindi optare per: Costruzione di macchine e apparecchi con alti rendimenti; Utilizzo di metano come combustibile fossile (riduce immissioni di CO2); Sfruttamento di energie rinnovabili; Investimenti nella ricerca energetica; Informazione e sensibilizzazione della popolazione mondiale. Una fonte alternativa di energia, utilizzabile nel sistema dei trasporti, è rappresentata dalla CELLA CATALITICA, dotata di un anodo e un catodo in palladio, che non reagisce perché inerte. L’anodo è alimentato con H gassoso e il catodo con O2. Tramite reazioni di ossido-riduzione si assiste alla formazione di acqua (processo opposto all’elettrolisi) e calore, quest’ultimo convertito in energia elettrica. L’unico problema riguarda la disponibilità di H!

DISPONIBILITA’ DI IDROGENO L’H può essere prodotto mediante: Introduzione di acqua supercritica (altissime T e P) all’interno di una colonna contenente carbone in polvere; il risultato è una miscela detta syngas che, interagendo ancora con acqua supercritica, produce CO2 e H2, quest’ultimo opportunamente stoccato in bombole, microtubi in carbonio, su microsfere di vetro,ecc; Cracking catalitico del metano; Elettrolisi dell’acqua attraverso la somministrazione di energia all’interno di una cella elettrolitica, il cui anodo è alimentato con O2 e il catodo con H gassoso; spesso si utilizza l’energia solare (fotoelettrolisi). Per impedire l’incremento di CO2 in atmosfera si potrebbe pensare di internare nel sottosuolo quella prodotta dall’uomo, all’interno di depositi carbonatici, ma si tratta di un processo estremamente costoso.

FUSIONE FREDDA Il 23 Marzo 1989 Pons e Fleischmann individuarono come possibile fonte alternativa di energia la FUSIONE FREDDA, un meccanismo basato sull’elettrolisi dell’acqua pesante mediante l’utilizzo di elettrodi di platino (anodo) e palladio (catodo). L’elettrolisi comporta la formazione di deuterio (2H), l’isotopo stabile dell’H, che si inserisce negli spazi reticolari del palladio; ciò comporta lo sviluppo di elevate pressioni, poiché lo spazio è limitato e il numero di atomi notevole. Queste particolari condizioni bariche comportano la fusione del deuterio, detta appunto “fusione fredda”, poiché ha luogo a temperature molto più basse rispetto alla tradizionale fusione calda. A seguito della fusione si assiste alla formazione di He, secondo la reazione: 2H+2H → 3He + γ + CALORE Nel corso della reazione nucleare si assiste alla liberazione di calore (energia rilasciata dalla reazione) e di neutroni ad alta energia, prodotti dalla reazione dei nuclei di deuterio.

ABBATTIMENTO La necessità di limitare la presenza delle sostanze inquinanti nell’aria comporta spesso l’utilizzo di svariati sistemi di abbattimento. A seconda della loro funzione, le tecnologie di abbattimento degli inquinanti presenti nelle emissioni industriali si suddividono in tre grandi categorie: Processi che permettono il recupero e l’eventuale riciclo dell’inquinante, nel caso in cui ad esso sia associato un valore economico rilevante: adsorbimento e condensazione; Processi di incenerimento per il recupero dell’energia, sotto forma termica, caratterizzante gli inquinanti con un buon potere calorifico: combustione; Processi di abbattimento a carico di composti gassosi ricchi di particolato: filtrazione tessile, precipitazione elettrostatica, abbattimento ad umido, adsorbimento, biofiltrazione e predepurazione.