Aria: Effetto Serra e Gas Serra, Diossido di Carbonio e Metano

ARIA OUTDOORS

STRATIFICAZIONE DELL'ATMOSFERA

Ionosfera (aurora) Zone di pausa 350 km Mesosfera Strato di ozono 90 km 50 km Stratosfera Tropopausa 18 km 14 km Troposfera Terra Figura 4.1 La troposfera è lo strato più a contatto con il terreno ed è sede del ciclo dell'acqua e dei movimenti dei venti. Nella stratosfera risiede lo strato di ozono, fondamentale nello schermare i raggi UV-A provenienti dal Sole. Nella mesosfera e nella ionosfera l'aria si fa sempre più rarefatta. In figura, per semplicità, strati e zone di pausa sono stati schematizzati con linee nette.

COMPOSIZIONE DELL'ARIA

Composizione dell'aria pura

TABELLA 4.1 | Composizione dell'aria pura (media da varie fonti).

Specie chimica % in volume ppm in volume N2 78,08 O2 20,94 Ar 0,93 CO2* 418 CO 0,1-0,2 O3 0-0,02 inverno 0-0,07 estate H2O 0,02%-5% zone temp: 1%-1,5% Ne 18,2 He 5,2 Kr 1,1 Xe 0,09 H2 0,5 CH 1,5 NO2 0-0,02 N2O 0,4 SO2 0-1 * Maggio 2020 [Fonti: Mauna Loa Observatory (Hawaii NOAA) e monte Cimone (Appennino tosco- emiliano]].

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• emissioni di allevamenti animali
• effetto serra
• estrazione del carbone e del petrolio
• fonti

GAS ASFISSIANTE IN LUOGHI CONFINATI

• fermentazione di sostanze organica
• metano
• inquinanti responsabili dell'effetto serra
• anidride carbonica
• massimo ere interglaciali
• variabile
• concentrazione
• oggi 1-2 ppm >>
• passata dalle 290 ppm del 1880 alle 418 ppm
• scioglimento dei ghiacciai e del permafrost

INCREMENTO DELL'EFFETTO SERRA

I costituenti naturali principali dell'atmosfera terrestre responsabili dell'effetto serra sono gas come CO2 , CH4 , N20, 03 e l'acqua, oltre alle polveri. Mentre l'acqua in atmosfera può essere presente come vapore, liquido o solido, i gas citati, al contrario, sono composti pressoché permanenti perché non possono subire passaggi di stato nelle normali condizioni atmosferiche. Le attività antropiche hanno alterato gli equilibri naturali innalzando i livelli dei gas presenti (si stima che la loro concentrazione sia quasi raddoppiata rispetto all'epoca preindustriale) e immettendo altri composti ad elevato effetto serra come gli idroclorofluorocarburi e SF6 Attualmente si stima che il 70% dell'effetto serra sia dovuto al vapor d'acqua, il 25% a CO, e CH e il 5% rimanente agli altri gas. Se non si arresta il fenomeno dell'aumento dei gas serra nell'atmosfera, si prevede che il CO. potrebbe arrivare a 800 ppm entro la fine del secolo. L'aumento dei gas serra 2 in atmosfera porta come conseguenza l'alterazione di cicli climatici, così come si sono succeduti finora. Gli effetti tangibili e preoccupanti sono costituiti dall'innalzamento del livello dei mari, l'alterazione dei cicli stagionali delle piogge, l'inaridimento di terre fertili, la migrazione di specie vegetali e animali (marini e terrestri) verso ambienti più abitabili e le migrazioni di popolazioni da terre impoverite.

EFFETTO SERRA

Radiazione solare riflessa 107 W/m2 Radiazione solare incidente 342 W/m2 235 (-3) Radiazione ad onde lunghe uscente 235 W/m2 107 (+4) 1 riflessa dalle nubi e dalla atmosfera: 77 342 (-1) L emessa dall'atmosfera 40 finestra atmosferica 165 30 (-5) 67 (+9) calore latente (-3) 24 324 78 (-5) 350 radiazione rientrante (-1) 168 -13) 24 78 390(+4) 324(+5) radiazione riassorbita emessa dalla terra (radiazione IR) assorbita dalla superficie convezione evapo- traspirazione radiazione dalla superficie 77 1 (-5) assorbita dalla atmosfera radiazione riflessa gas serra assorbita dalla terra riflessa dalla superficie 30 t dati da http://eospso.gsfc.nasa.gov/eos_observ/pdf/Nov-Dec06.pdf

DIOSSIDO DI CARBONIO

Di per sé si tratta di un gas sostanzialmente innocuo, ma subdolo, in quanto incolore, inodore e più pesante dell'aria, quindi pericoloso nel caso in cui si accumuli in un ambiente confinato. Il diossido di carbonio (o anidride carbonica, CO2) ha ovviamente, come il CO, anche origini naturali, ma l'impatto delle attività umane, determinato dalla deforestazione e dall'uso indiscriminato dei combustibili fossili ha ormai raggiunto una portata preoccupante, fornendo un contributo determinante al suo aumento nell'atmosfera e come conseguenza all'effetto serra. Si stima che la concentrazione di CO, sia passata dalle 290 ppm del 1880 alle 418 ppm dei giorni nostri. A livello internazionale, si cerca quindi di incentivare (e per quanto possibile, pianificare) la riduzione delle emissioni e la legge impone la dichiarazione sul CO, prodotto in fase di fabbricazione e trasporto dei prodotti. Gli interventi sugli autoveicoli sono di diversa natura, mentre a livello di grossi impianti (per esempio le centrali elettriche funzionanti a olio combustibile o carbone o gli impianti di gassificazione del carbone) si studiano dei processi di assorbimento del CO, con solventi o di separazione con membrane, per evitare che esso raggiunga l'atmosfera

METANO

Il metano, CH , deriva dall'estrazione del carbone e del petrolio, dalla fermentazione di sostanze biologiche e dalle emissioni di allevamenti animali. Studi effettuati nel ghiaccio artico e antartico hanno evidenziato che, nel corso della storia del nostro pianeta, il metano ha avuto una concentrazione variabile, con punte elevate in corrispondenza delle ere interglaciali. Oggi la concentrazione media di metano è di circa 1-2 ppm, ma anch'essa è in continua ascesa a causa dell'affioramento dagli oceani o dai ghiacci che si sciolgono in seguito al riscaldamento terrestre e dallo scioglimento del permafrost, particolarmente ricco di questo gas. Pur avendo un potere come gas serra dieci volte superiore a quello del CO2 , la sua scarsa quantità lo rende meno importante (ma non trascurabile!) rispetto a quest'ultimo.

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MONTREAL 1989

FORMAZIONE OZONO

• O2 + hvUV - 20.
• O2 +0. - + O3

DISTRUZIONE OZONO

• CFC e OSSIDI DI ZOLFO e AZOTO

BARRIERA CONTRO UV

L'OZONO

O3 , è normalmente distribuito in uno strato della stratosfera situato tra i 15 e i 35 km di altezza. Questo strato è molto importante perché costituisce un'efficace barriera ai raggi UV provenienti dal Sole. La molecola dell'ozono si forma infatti a partire dall'interazione delle molecole di ossigeno con le radiazioni UV a 240 nm: 02 + huy > 20. 02 + 0 .- > 03

Lunghezza d'onda e tipologia

Lunghezza d'onda (nm) Principale tipologia Lunghezza d'onda (nm) Sottotipo <50 Raggi X 50 - 200 UV-C Ultravioletto 280 UV-B 320 UV-A 400 - 400 Violetto Visibile . 750 750 - Rosso 4000 (4 pm) Infrarosso Infrarosso termico 100 000 (100 um)

OZONO: FUNZIONE UV

Ionosfera (aurora) Zone di pausa 350 km Mesosfera Strato di ozono 90 km Stratosfera Tropopausa 1 Troposfera 14 km Terra UV-C (200- 280 nm) UV-B -> (280-320 nm) UV- A - (320 - 400 nm) + Gli STRATI SOVRASTANTI LA STRATOSFERA SONO CARATTERIZZATI DA ARIA MOLTO PAREFATTA LA CONCENTRAZIONE DELL'O2 È MOLTO BASSA O2 + UV-C -> 20 L'OSSIGENO ASSORBE GLI UV-C DECOMPONENDOSI IN O ATOMICO IL QUALE RIFORMERÀ CICLICA MENTE L'OSSIGENO MOLECOLARE Ionosfera (aurora) Zone di pausa 350 km Strato di ozono 90 km Stratosfera Tropopausa 18 km 14 km Terra NELLA STRATOSFERA LA CONC. DELL'OL AUMENTA E PREVALE SULLA CONC. DELL'O QUINDI È PIÙ FREQUENTE LA REAZIONE IN CUI 02 + 0 03 + CALORE (a) Intensità dell'assorbimento -> 1,0 UVC 0,8 UVB 0,6 0,4 0,2 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 Lunghezza d'onda (nm) SPETTRO DI ASSORBIMENTO L'ASSORBIMENTO NELLA REGIONE DEGLI UV-B E DEGLI UV-A È LIMITATO_ UNA % TRA U 10 - 30% DI UV-B RAGGIUNGE IL SUOLO. 50 km Troposfera 50 km 18 km

OZONO: ASSORBIMENTO DEGLI UV E DISTRUZIONE DELL'OZONO

L'ozono, d'altra parte, è molto reattivo e instabile e tende a decomporsi, sempre sotto l'azione delle radiazioni UV a 308 nm, liberando ossigeno nascente (il radicale ossigeno, O): 03+ huv > 0.+02 Il radicale ossigeno svolge una notevole azione biocida (e quindi purificatrice dell'aria e/o dell'acqua) , ma contemporaneamente reagisce con la materia vivente distruggendola. Per questo motivo l'ozono è considerato una specie molto tossica se distribuita nella troposfera dove esercita anche un'azione di gas serra.

OZONO: FORMAZIONE

Una delle maggiori cause che portano invece alla formazione dell'ozono nella troposfera è la decomposizione dell'NO, per opera della luce: NO2 + hu > O ·+NO 02 + 0 .- > 03 L'ossigeno nascente (o radicale ossigeno) così formato reagisce poi velocemente con l'ossigeno dell'aria per formare ozono. L'accumulo nelle zone a grande traffico veicolare rappresenta una delle maggiori cause di inquinamento ambientale

OZONO

Assottigliamento dello strato di ozono

Lo spessore dello strato di ozono nella stratosfera ha un andamento stagionale. Durante la primavera si assottiglia di più in corrispondenza dei due poli terrestri. A partire dagli anni '70 del secolo scorso, a causa degli inquinanti presenti nell'atmosfera, sull'Antartide si è notato un assottigliamento più marcato, che è andato estendendosi con vicende alterne nel corso degli anni e si è verificato in seguito anche sulla regione artica, anche se in misura minore. Tale fenomeno è noto come buco nell'ozono (o buco dell'ozono)

Effetti dell'assottigliamento dell'ozono

L'assottigliamento dello strato di ozono nella stratosfera è preoccupante perché una riduzione dell'effetto schermante ha come conseguenza un aumento dei raggi UV che raggiungono il suolo terrestre. Gli effetti sull'uomo sono legati all'aumento dei casi di tumori alla pelle (UV-C) e ai possibili eritemi, nonché a un precoce invecchiamento della pelle (UV-B) ; mentre sulle piante potrebbe causare una inibizione della fotosintesi clorofilliana, con conseguente diminuzione dei raccolti.

Recessione del fenomeno ozono

Negli ultimi anni il fenomeno è in recessione perché, a partire dal protocollo di Montréal del 1989 (e successive revisioni), sono stati raggiunti accordi internazionali per la progressiva proibizione dell'utilizzo delle sostanze ritenute responsabili del fenomeno: idrocarburi cloro-derivati e bromo-derivati leggeri (massimo 3 atomi di carbonio, si veda più avanti nel testo) usati come refrigeranti e come propellenti per le bombolette spray, e ossidi di azoto e zolfo (derivanti dagli scarichi degli aerei a reazione) .

OZONO DISTRUZIONE

STATO ECCITATO

• O3 + 1uv - 8
• Juv-c
• UV - B (d<320 nm) >
• * 2
• O* +

REAGISCONO CON L'O2 E FORMANO O3

• 10 +02 -> 03

COLLISIONE