Qualità dell’aria Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali a.a. 2006-2007 Dispense del Corso Laurea in Ingegneria Gestionale Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni (ind. Sistemi di Telerilevamento) Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica (ind. Gestione e Automazione dei Servizi) Chiara Mocenni

Abbiamo visto che cos’e’ l’ecologia, che studia le relazioni tra le specie viventi tra loro e con le componenti abiotiche degli ecosistemi in cui esse vivono. Cerchiamo adesso di capire quali sono I flussi di energia e materia che sono necessari per sostenere la vita negli ecosistemi.

I cicli biogeochimici I cicli biogeochimici sono processi di circolazione degli elementi che si svolgono nell'ecosfera in condizioni di stato stazionario, sostenuti da un flusso regolare di energia solare e realizzati in gran parte dagli organismi viventi che si organizzano in catene alimentari.

I sistemi naturali I sistemi naturali hanno tutti una struttura a più livelli di organizzazione e/o di complessità. Dai più semplici ai più complessi, i livelli sono particelle subatomiche, atomi, molecole, cellule, organismi, popolazioni, comunità, ecosistemi. Ogni livello è costituito da un certo numero di subunità inferiori: una molecola è costituita da atomi, una cellula da molecole, un organismo da cellule, una popolazione da organismi, una comunità da popolazioni; ed ogni livello organizza rappresentanti e qualità del livello inferiore in modo da produrre un insieme funzionante più grande e di maggiore complessità strutturale. Ogni livello possiede una propria individualità, ha una propria struttura ed un proprio funzionamento.

I processi i processi di entrata e uscita di materia ed energia (flussi di energia e produttività) che rappresentano le risorse che pilotano il sistema, i processi di elaborazione di materia ed energia e le vie di flusso, che mostrano dove materia ed energia vengono trasferiti e scambiati, i meccanismi a retroazione o feedback, per i quali un'uscita torna ad influenzare un componente o un flusso a monte

http://venus.unive.it/miche/cicli_ecosis/

Strutture e funzioni Nei sistemi complessi, organizzati gerarchicamente, sia le proprietà delle strutture, sia le funzioni di un livello superiore non possono essere dedotte dalle strutture e dal funzionamento di un livello inferiore di organizzazione. Le proprietà dei livelli superiori possono essere osservate durante il loro svolgimento. Le funzioni sono invece tipiche del sistema: i passaggi tra livelli gerarchici sono accompagnati da nuove funzioni, dette sistemiche, dipendenti da interazioni e rapporti reciproci tra le parti. Per le funzioni vanno dunque considerati i sistemi nella loro globalità.

L’ecosfera E’ costituita da: Litosfera, Idrosfera, Biosfera, Atmosfera.

La litosfera La litosfera è l'involucro esterno rigido della terra, con spessore di 70-150 Km, suddiviso in placche mobili. La parte più superficiale, con uno spessore di 20-60 Km, viene definita crosta. Gli elementi presenti in quantità notevole nella crosta sono solo 8. La maggior parte degli elementi della crosta è presente sotto forma di silicati.Lo strato sottile di alterazione superficiale è detto pedosfera o suolo.

L'idrosfera è costituita dal complesso delle acque, che coprono i sette decimi della superficie terrestre. Dell'idrosfera fanno parte oceani, mari, ghiacciai, laghi, fiumi, falde acquifere sotterranee. Gli atomi di idrogeno e ossigeno sono di gran lunga la componente più abbondante dell'idrosfera. Altri elementi vi si trovano in quantità relativamente molto piccola e si tratta in buona parte di sali solubili in acqua.

La biosfera La biosfera è l'insieme dellle zone della terra nelle quali sono presenti i viventi. Comprende perciò: la parte inferiore dell'atmosfera (i primi 10 Km circa) tutta l'idrosfera la parte superficiale della litosfera (i primi 2 Km di profondità della crosta terrestre). Il termine biosfera viene usato anche per individuare l'insieme di tutti gli esseri viventi.

L’atmosfera Lo strato di atmosfera che circonda la Terra è estremamente sottile. Se si considera solo la parte più densa che giunge a circa 60 km al di sopra della superficie terrestre, si ha uno spessore che è pari a solo un centesimo del raggio della Terra all'Equatore, che è di 6.378 km. La composizione chimica e le caratteristiche fisiche dell'atmosfera variano secondo la quota. La composizione dell'atmosfera tra il suolo e 10-12 km può però considerarsi pressoché costante e formata da un miscuglio di gas tra i quali dominano nettamente l'azoto e l'ossigeno.

L’atmosfera si suddivide in: Mesosfera: si trova da 50 a 90 km e qui la luce solare scinde le molecole presenti (ad esempio l’H2O è scissa in atomi di idrogeno  e ioni ossidrili) Stratosfera: si trova tra 12 e 50 chilometri, è caratterizzata dalla formazione e dall’accumulo dell’ozono. Questo gas assorbe i raggi ultravioletti provenienti dal sole impedendo loro di raggiungere la terra e provocare danni agli organismi viventi. Troposfera: ha uno spessore di circa 12 km, ed e’ caratterizzata dalla presenza degli organismi viventi e sede dei diversi fenomeni climatici e meteorologici,  è  caratterizzata dalla  presenza di gran parte  delle nuvole e da intensi moti dell’aria.

Vicino alla superficie terrestre l’atmosfera è formata da N2 (78%), O2(21%), CO2(0,03%), e da piccole e piccolissime quantità di molti altri gas (argon e altri gas nobili, idrogeno, ozono vapor acqueo, metano). Tale composizione è quasi costante, ed è una conseguenza del rimescolamento prodotto dalle correnti atmosferiche e si riferisce ad aria secca e pulita.

La più importante sorgente di energia per l'ecosfera è l’energia del sole In base ad un bilancio_energetico risulta che, mediamente, tutta l'energia in entrata, sia nel comparto biotico che nel comparto abiotico, viene reirradiata nello spazio. L'energia che arriva sulla Terra con radiazioni di diversa lunghezza d'onda, (la maggior parte nella regione del visibile, e perciò a basso contenuto entropico), viene interamente riemessa all'esterno del pianeta sotto forma di calore, cioè di radiazioni con la lunghezza d'onda dell'infrarosso, a più alto contenuto entropico (energia libera ed ecosfera). La radiazione solare fornisce l'energia libera che determina la maggior parte dei cambiamenti e degli eventi che avvengono nell'ecosfera.

Una parte dell'energia solare, circa il 35%, viene riflessa direttamente verso lo spazio dall'atmosfera. Il restante 65% viene dapprima assorbito (circa il 19% dall'atmosfera, circa il 46% dalla superficie) e infine reirradiato nello spazio. E' chiaro che praticamente tutta l'energia solare che arriva alla Terra viene reirradiata nello spazio.

Aria contaminata I composti di origine naturale e/o antropica che, per la loro caratteristica o per la quantità con cui sono presenti, possono essere in grado di produrre danni anche gravi agli esseri viventi, alla vegetazione e ai manufatti. L’inquinamento produce quindi una variazione significativa nelle componenti minori dell’atmosfera.

L’interazione della biosfera con l’atmosfera ed in particolare l’emissione di inquinanti produce conseguenze sui naturali processi di produzione e rimozione delle sostanze.

Rilevazioni sperimentali Alte concentrazioni di ozono e altri ossidanti fotochimici in aree urbanizzate; Aumento dei valori di ozono troposferico; Acidità delle piogge (pH sempre più bassi); Iperattività algale nei mari.

L’Ozono O3 Ozono statosferico. L’ozono stratosferico è assolutamente indispensabile per l’esistenza della vita sulla Terra, è   in grado infatti di neutralizzare, assorbendola, la componente ultravioletta della radiazione solare, estremamente dannosa per tutti gli organismi viventi.

Le reazioni di formazione e decomposizione dell’ozono si ripetono continuamente assicurando la presenza dello strato naturale di ozono. Le attività umane possono modificare le quantità di ozono stratosferico e la sua distribuzione verticale. I principali responsabili di questo cambiamento sono: i clorofluorocarburi (CFC) i fertilizzanti azotati, utilizzati nell’agricoltura che entrando nel ciclo dell’azoto aumentano la produzione batterica di ossidi di azoto i processi di combustione (riscaldamento domestico, industriale e trasporti) che immettono ossidi di azoto nell’atmosfera

I CFC non sono composti naturali, ma sono stati sintetizzati dall’uomo a partire dagli anni '30. Sono inerti chimicamente e non sono infiammabili. Il loro impiego era legato soprattutto all’utilizzo nei circuiti refrigeranti, come propellente per aerosol (o spray) e come schiume per l’isolamento termico. I CFC non subiscono alcun cambiamento prima di arrivare nella stratosfera, dove vengono demoliti a opera dei raggi UV liberando cloro, che funge da catalizzatore delle reazioni che portano alla distruzione dell'ozono

Accordi internazionali hanno limitato la produzione di CFC: Protocollo di Montreal del 1987 prevedeva la riduzione del 50% della produzione entro il 1999. Accordi di Londra e di Copenaghen del 1990 hanno previsto  la cessazione della produzione di CFC a partire dal 2000.

Scala urbana e regionale Monossido di carbonio (CO) Composto gassoso inodore, insapore e incolore. Formazione: combustione incompleta di carbonio 2C + O2  2CO (veloce) 2CO + O2  2CO2 (lenta)

Reazione ad elevata temperatura (negli altoforni: minerali contenenti ossido di ferro per la produzione della ghisa) tra CO2 e composti contenenti carbonio CO2 + C  2CO Dissociazione ad alta temperatura di CO2 in CO e O. L’equilibrio CO2 ↔ CO + O si sposta a destra quando i fumi vengono bruscamente raffreddati e la CO2 rimane dissociata.

Sorgenti Mezzi di trasporto su strada (63%); Trattamento dei rifiuti (17%); Altre forme di trasporto (7%); Combustione (industriale e non) (7%); Processi di produzione (5%); Altro (1%).

Ossidi di azoto (NO e NO2) Le reazioni avvengono ad alte temperature (>1210°C) tra N2 e O2: N2O2  2NO 2NO + 2O2 2NO2

Sorgenti: la fonte principale di NOx è l’azione batterica che ne produce un quantitativo dieci volte superiore a quello antropico. Si è riscontrato però che in aree urbane la concentrazione di NOx è 10-100 volte superiore che nelle aree extraurbane. La maggiore fonte di NOx sono i trasporti.

Il tempo di permanenza in atmosfera degli NOx è breve (3-4 giorni) Il tempo di permanenza in atmosfera degli NOx è breve (3-4 giorni). Questo fa pensare che vi siano meccanismi di rimozione naturale, anche sa la situazione non è ancora chiara.

Effetti degli NOx Piante (NO2: necrosi delle foglie, NO diminuzione della velocità della fotosintesi). Uomo (Sono irritanti per l’apparato respiratorio, e provocano lesioni infiammatorie irreversibili del tessuto polmonare in caso di forte esposizione, e lesioni vicine all’enfisema in caso di esposizione permanente. In particolare il biossido di azoto (NO2), specie se a elevate concentrazioni, può essere causa di convulsioni, di paralisi del sistema nervoso centrale, di irritazione al naso e agli occhi, nonché di nefriti croniche).

Ossidi di zolfo SO2 (biossido di zolfo), SO3 (anidride solforosa). S + O2 ↔ SO2 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 In presenza di vapore acqueo si forma l’acido solforico SO3 + H2O  H2SO4

Fonti di inquinamento Naturali (vulcani) (61%); Antropiche (39%);

Effetti Piante Brevi esposizioni ad alte concentrazioni: danni acuti (necrosi delle foglie) Lunghe esposizioni a basse concentrazioni: danni cronici (riduzione dell’attività fotosintetica) Uomo gas pungente: irritazioni del tratto superiore dell’apparato respiratorio

Il particolato o aerosol atmosferico Insieme della particelle la cui dimensione può variare da pochi angström (fine particle) a qualche centinaia di micron (coarse particle). Fine particle: 0.005-0.1 μm: vengono prodotte per condensazione di vapori prodotti nella combustione, la più numerosa, ma contribuisce poco alla massa totale; 0.1-2.5 μm: condensazione di vapori e coagulazione di particelle più piccole; Il coarse particle è costituito dalle polveri.

Fonti di inquinamento Processi naturali: vulcani, effetti del vento sul terreno. Questi processi solo raramente producono inquinamento. Attività umana: industria delle costruzioni (particelle di polvere), fonderie (ceneri volatili), combustione incompleta (fumi). Trasporti (combustione e polverizzazione di materiali quali gomma di pneumatici e asfalto da parte di veicoli)

Effetti Piante: polveri di forni per cemento formano una incrostazione sulle foglie che impedisce la fotosintesi. Uomo: gli effetti maggiori si hanno sull’apparato respiratorio in proporzione inversa rispetto alla dimensione delle particelle.

smog = smoke (fumo) + fog (nebbia) Le polveri totali sospese (pts) sono responsabili dello  smog classico, chiamato anche "smog di tipo Londra", che consiste in una nebbia nerastra con alte concentrazioni di fumo e gas smog = smoke (fumo) + fog (nebbia)

Smog fotochimico Le reazioni fotochimiche sono reazioni di fotodissociazione che, in presenza di particolari condizioni emissive o meteorologiche possono produrre grandi quantità di inquinanti secondari e di ozono. L’inquinamento fotochimico è il complesso delle trasformazioni degli ossidi di azoto e dell’ozono che, in presenza di composti organici, producono sostanze nocive come i PAN (Perossi-Acetil-Nitrati).

“Smog di Los Angeles”, da non confondersi con lo smog di Londra.

I composti principalmente coinvolti nell’inquinamento fotochimico sono l’ozono troposferico e i VOC

L’Ozono troposferico Gli inquinanti primari coinvolti nella formazione di ozono (inquinante secondario) sono: gli ossidi di azoto (NOx) emessi dal traffico veicolare, dagli impianti di combustione delle industrie, dalle centrali termoelettriche, dagli inceneritori di rifiuti i composti organici volatili (VOC) prodotti dalle diverse attività umane e in particolare dal traffico veicolare.

L' ozono presenta un andamento tipicamente stagionale  e raggiunge le massime concentrazioni in estate, durante le ore diurne con un picco sempre di massimo nelle prime ore del pomeriggio di giornate assolate.

Effetti dell’O3 sull’ambiente: piante L’ozono è è considerato attualmente l’inquinante atmosferico più dannoso per le piante. Infatti, essendo facilmente solubile in acqua, penetra nelle foglie dove è in grado di alterare l’attività degli enzimi responsabili della fotosintesi con conseguente distruzione della clorofilla. Gli effetti più visibili sono l’ingiallimento delle foglie, la necrosi (macchie), l’invecchiamento precoce; l’ozono tuttavia causa anche una riduzione dei cicli vegetativi e uno sviluppo ridotto.

Effetti dell’O3 sulla salute: uomo L’ozono è un gas altamente aggressivo e la sua inalazione provoca l’irritazione delle vie respiratorie dell’uomo e dell’animale. I sintomi dipendono sia dalla sua  concentrazione  nell’aria che  dalla durata dell’esposizione. Gli episodi di inquinamento acuto di poche ore, sono responsabili di irritazione agli occhi, al naso e alla gola, di attacchi di tosse e di un senso di pressione sul torace.

Inquinamento da VOC Provengono da attività e processi industriali, da riscaldamento domestico e industriale e dall’evaporazione del carburante. Principali cause: Processi naturali Trasporto su strada (emissione di idrocarburi) Uso di solventi Agricoltura e foreste

Effetti dei VOC sulla salute dell’uomo I VOC possono dar luogo ad anemia, disturbi nervosi, leucemia, ma soprattutto aumentano il rischio di cancro. Combinati con altri agenti inquinanti potrebbero contribuire alla formazione di malattie del sangue e disturbi genetici.

Effetto Serra e clima La luce solare rappresenta la principale fonte di energia ed è indispensabile per la presenza e la permanenza della vita sulla terra. L’energia del sole, dopo aver attraversato i diversi strati dell’atmosfera, viene qui assorbita, riflessa e diffusa. Raggiunge poi la superficie solida o liquida della terra dove viene in parte assorbita. Ciò produce il riscaldamento della superficie terrestre che emette a sua volta una radiazione elettromagnetica, prevalentemente infrarossa. Queste radiazioni vengono a loro volta in parte assorbite dai gas atmosferici (in particolare H2O, CO2, CH4 chiamati gas-serra) che riemettono poi l’energia termica verso il suolo, intrappolando così il calore a contatto con la superficie.

J.B. Fourier nel 1827 ha ipotizzato per primo l'esistenza di un effetto atmosferico, che tende a riscaldare il pianeta, utilizzando l'analogia di ciò che succede in una serra, dove in condizioni di equilibrio, si  mantiene all’interno della serra stessa una temperatura poco variabile tra il giorno e la notte.

Il tenore di CO2 (uno dei maggiori responsabili dell’effetto serra) della troposfera è leggermente aumentato, passando da 290 ppm (parti per milione) all’inizio del secolo a 321 ppm nel 1970 e circa 325 ppm negli anni ottanta. Questo aumento è associato alla crescita delle attività economiche e dei processi di combustione a cui si deve aggiungere la costante diminuzione del patrimonio boschivo, con il conseguente calo della fotosintesi clorofilliana.

Tratto da: National Center for Atmospheric Research and University Corporation for Atmospheric Research. http://www.ucar.edu/

Questi eventi potrebbero avere un impatto molto negativo sull’agricoltura, sulla flora e sulla fauna con scomparsa di talune specie e la distruzione di particolari ecosistemi. 

Accordi internazionali 1992 Conferenza di Rio: impegno a non superare nel  2000 le emissioni industriali  del 1990 1997 Conferenza di Kyoto: impegno alla riduzione del 5,2% delle emissioni dei gas serra dei Paesi industrializzati entro il 2008-2012 1998 Conferenza di Buenos Aires: attuazione del protocollo di Kyoto, ratifica da parte di 55 Paesi che rappresentano almeno il 55% del totale delle emissioni.

Accordi nazionali 1998 Delibera del CIPE (Comitato Interministeriale per la Programmazione Economica ) individua 6 azioni per la riduzione delle emissioni dei gas-serra: aumento di efficienza del sistema elettrico riduzione dei consumi energetici nel settore dei trasporti produzione di energia da fonti rinnovabili riduzione dei consumi energetici nei settori industriale, abitativo, terziario riduzione delle emissioni nei settori non energetici assorbimento delle emissioni di anidride carbonica da parte delle foreste