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Guido Barone » 3.Struttura e proprietà dell'atmosfera


Presentazione

Sono discusse brevemente la struttura, le proprietà fisiche e l’organizzazione dell’atmosfera in più strati debolmente interagenti e i principali fenomeni che occorrono in ciascuno di essi. Viene discusso il fenomeno dell’effetto serra e il contributo delle emissioni di CO2 al riscaldamento globale. La composizione chimica dell’atmosfera e le sue variazioni spaziali e temporali vengono commentate Infine viene fatto un breve accenno ai progressi della modellistica numerica avanzata per la simulazione e previsione della dispersione degli inquinanti.

Obiettivi
Familiarizzarsi con i problemi di inquinamento atmosferico come conseguenza dell’uso dei combustibili fossili sintetici e rinnovabili. Distinguere l’inquinamento dal problema del riscaldamento globale che pure ha le stesse origini. Questa lezione serve da introduzione e giustifica di fondo per le lezione successive che trattano le fonti energetiche alternative ai combustibili.

Meccanismi di protezione naturali della biosfera

La natura protegge la Biosfera e quindi anche l’umanità per mezzo di alcuni meccanismi fondamentali:

  1. Campo magnetico terrestre (protegge il Pianeta intero dal vento solare e dalle particelle ad alta energia provenienti dal sole e dallo spazio profondo).
  2. Scudo di Ozono stratosferico (filtra le radiazioni UV a più bassa lunghezza d’onda <310 nm).
  3. Moderato effetto serra (mantiene la temperatura media al suolo attualmente a 14.5°C).
  4. Sintesi clorofilliana: trasforma la radiazione solare filtrata dall’atmosfera in energia chimica e ossigeno (uniche fonti di energia per l’intera biosfera).
N.B. attualmente l’uomo, dopo aver rischiato di distruggere lo strato di ozono stratosferico, sta sempre più rapidamente alternado l’equilibrio climatico con le emissioni di CO2 e altri gas serra, oltre a distruggere interi ecosistemi. Questo è il motivo per cui si tratterà la struttura dell’atmosfera, come introduzione alle successive lezioni in cui si tratteranno le fonti di energia alternative alle combustioni.

Meccanismi di protezione naturali della biosfera

L’atmosfera si piò suddividere in quattro sezioni distinte debolmente interagenti:

  • Idrosfera (da 65 -70 km fino a 400 km dalla superficie terrestre, comprendendo la mesosfera e la termosfera) e parte dell’esosfera (fino a 1000 km), che sfuma nello spazio esterno (fasce di Van Allen).
  • Stratosfera (da 14 15 fino a 45 -50 km, sui Poli si abbassa fino a 7 – 8 km a causa dello schiacciamento della intera atmosfera per la rotazione terrestre): è sede dello strato protettivo di Ozono O3.
  • Troposfera (dalla superficie fino alla stratosfera): è sede dei più imponenti fenomeni di turbolenza e ospita la fascia di gas che dà nome all’omonimo effetto.
  • Strato limite planetario (PBL – Planetary Boundary Layer): è la parte inferiore della troposfera (1.2 – 2.0 km di altezza dalla superficie) dove si concentrano la gran parte degli inquinanti emessi dall’attività umana e le emissioni biogeniche e inorganiche del suolo.

Esempio: Meccanismi di protezione naturali della biosfera

Approfondimento: Proprietà fisiche


Effetto serra e riscaldamento globale

La troposfera si estende fino a 15 – 16 km di altezza dall’equatore e si abbassa fino a 7 – 8 km ai poli. Essa è sede di tutti i fenomeni di turbolenza e circolazione globale che caratterizzano il clima locale e le condizioni meteorologiche.

La troposfera è la sede dell’effetto serra (analogia con i fenomeni che riguardano una comune serra per piante). I gas serra, vapor d’acqua, anidride carbonica, metano e altri, nonché in parte le nubi, lasciano passare la radiazione visibile o ultravioletta, ma intrappolano quelle a più lunghezza d’onda (infrarosso) emesse dal terreno, dalle piante e da tutti gli esseri viventi, in base alla temperatura che essi hanno: si stabilisce uno stato stazionario in cui l’energia radiante entrante viene bilanciata da quella che fuoriesce verso lo spazio (vedi figura). Si ha però una trasformazione nella composizione della radiazione ad opera della biosfera e della superficie terrestre. In realtà senza l’effetto serra il nostro pianeta sarebbe diventato rapidamente uno sterile ghiacciaio ad una temperatura media di circa -18°C, seguendo in parte la stessa sorte di Marte.

Figura 1 effetto serra – Figura 2 Spettro solare

Figura 1 effetto serra - Figura 2 Spettro solare


Effetto serra e riscaldamento globale

La figura riporta l’intensità dello spettro di emissione di un corpo nero alla temperatura della fotosfera solare, quella del reale spettro solare, quella della intensità della radiazione che perviene realmente sulla superficie terrestre a livello del mare, quella a 10 m sott’acqua e a 100 m sotto la superficie dell’acqua.

Poiché la T della fotosfera solare è di circa 5600 K, si può subito constatare che il massimo dW/dλ, corrisponde ad una lunghezza d’onda λmax che cade nel visibile (e probabilmente non è un caso che il nostro sistema visivo sia sensibile proprio in questa regione dello spettro).

La radiazione solare non penetra in modo uniforme nell’atmosfera terrestre. I raggi gamma e X e gli UV ad altissima frequenza sono derivati dal campo magnetico terrestre. I gas serra, vapor d’acqua, anidride carbonica, metano e altri, nonché in parte le nubi, formano le fasce opache che assorbono la radiazione infrarossa e in parte la riemettono verso lo spazio esterno.

Approfondimento: Effetto serra e riscaldamento globale

Emissione della superficie terrestre nell’infrarosso

Emissione della superficie terrestre nell'infrarosso


Composizione chimica dell’atmosfera

L’azione del campo gravitazionale terrestre non è sufficiente a trattenere le molecole di massa minore (idrogeno e elio). LA circolazione generale dell’atmosfera e la diffusione molecolare assicurano una composizione uniforme fino a circa 90 km di altezza, per quanto riguarda sia i componenti principali, sia alcune delle sostanze presenti solo in tracce (vedi Tabella). Altre sostanze, prima fra tutte il vapor d’acqua, sono invece presenti in concentrazione variabile secondo i luoghi, l’altitudine e il passar del tempo.

Nel considerare queste componenti bisogna tener conto che gli strati più bassi dell’atmosfera (troposfera inferiore o PBL) sono in scambio continuo con la superficie terrestre. i vari strati scambiano sostanze fra di loro, ma i fenomeni che li caratterizzano sono abbastanza distinti. I gas e i vapori emanati dalla superficie terrestre a seguito dell’attività animale, vegetale, microbica e di quella vulcanica, il vapor d’acqua proveniente dalle distese marine, dai laghi, dai fiumi e dalle paludi e tutte le sostanze volatili prodotte dalle attività umane, vengono trasportati e dispersi rapidamente dai venti e dai fenomeni turbolenti che caratterizzano l’intera tropsfera.

Tabella 1 – Costituenti principali dell’aria non inquinata e anidra

Tabella 1 - Costituenti principali dell'aria non inquinata e anidra


Composizione chimica dell’atmosfera

In presenza di fenomeni meteorologici la diffusione molecolare tende comunque ad omogenizzare lentamente la composizione dell’aria. Accade quindi che le sostanze più reattive di origine geochimica, biologica o antropica vengono trasformate rapidamente in altre chimicamente più inerti: azoto, anidride carbonica (CO2), acqua ((H2O). Altre sostanze solubili vengono disciolte dall’acqua che si condensa e riportate al suolo dalla pioggia. Quelle poco reattive e poco solubili in acqua possono lentamente accumularsi nell’atmosfera e salire fino agli strati superiori, interferendo con i processi fotochimici che avvengono ad alta quota. E’ il caso dei clorofluorocarburi più leggeri (noti come CFC  o Frenon) che non vengono distrutti dall’aria né asportati dalla pioggia. A quote tra 20 e 50 km essi vengono fotoscissi dalla radiazione U.V., liberando atomi di cloro che possono distruggere l’ozono (O3). Nella tabella successiva sono elencate anche la CO2 e il metano (CH4): la prima è prodotta dalla respirazione animale e vegetale, dalle eruzioni vulcaniche e da tutti i processi di combustione, inclusi quelli naturali (incendi), il secondo proviene dai processi di putrefazione fermentativa vegetale (paludi, risaie, fogliame marcente) e dal metabolismo di alcuni animali (ruminanti, termiti). Una piccola parte del metano atmosferico proviene anche dai depositi naturali, attraverso fatturazioni delle rocce ma soprattutto dalla decomposizione degli idrati a causa del riscaldamento globale.

Inquinamento nello strato limite planetario (PBL)

Nella Tabella 2 sono riportati i limiti di concentrazione delle componenti minori dell’aria. Alcune di queste sostanze sono di origine naturale (molti composti solforati e alcuni composti azotati); altre sono in parte di origine antropica (come il monossido di carbonio, CO, l’anidride solforosa, SO2, e molte delle sostanze organiche volatili). Altre sostanze infine sono prodotte da reazioni fotochimiche alimentate da inquinanti di origine antropogenica: l’acqua ossigenata o perossido di idrogeno (H2O2) e l’ozono troposferico.

Approfondimento: Inquinamento nello strato limite planetario (PBL)

Tabella 2 – Costituenti minori dell’aria e inquinanti gassosi o volatili

Tabella 2 - Costituenti minori dell'aria e inquinanti gassosi o volatili


Inquinamento nello strato limite planetario (PBL)

Localmente grosse emissioni di inquinanti gassosi possono raggiungere concentrazioni pericolose per la salute umana. La loro dispersione può provocare danni all’ambiente anche a lunga distanza (piogge acide) per acido nitritico o solforico (H2SO4), quest’ultimo proveniente dall’ossidazione della SO2. Inquinanti tossici possono essere immessi nell’atmosfera a seguito di incidenti nella produzione industriale, o nel trasporto o nella distribuzione agli utenti. Emissioni costanti o periodiche sono più facilmente controllabili sulla base di normative. Particolari cure nell’abbattimento di inquinanti tossici, in base alle normative più recenti, e la chiusura di molti vecchi impianti industriali, hanno portato al miglioramento della qualità dell’aria in molte città ad alta concentrazione industriale. D’altra parte, per il diffondersi del riscaldamento civile con impianti prima a carbone e poi a nafta vi era stato un forte incremento delle emissioni più dannose: particolato, nero fumo e SO2.

Questi inquinanti si sommavano a quelli analoghi prodotti dalle centrali termoelettriche e da altre fonti industriali. Un miglioramento decisivo si sta ottenendo con l’introduzione del metano nel riscaldamento domestico e soprattutto con il termoriscaldamento, con lo sfruttamento dell’energia geotermica e con i pannelli solari.

Inquinamento nello strato limite planetario (PBL)

Invece sempre più drammatico, specie nelle città italiane ed europee con piante urbane medioevali e insufficienti reti viarie, sta diventando l’inquinamento da traffico automobilistico. In particolare, nei periodi di forte insolazione estiva, di alta pressione e di assenza di vento, i raggi U.V. solari, non filtrati dall’atmosfera, scindono il biossido di carbonio (NO2) prodotto dai motori a scoppio operanti ad alto numero di giri.

Il risultato è la formazione, con il passare delle ore, di una micidiale miscela di ossidi di azoto e di ozono, mescolati con idrocarburi incombustibili, loro derivati e nero fumo provenienti da motori malfunzionanti o appena avviati (nebbia o smog fotochimico).

Questa miscela, che non ha esaurito la sua reattività all’interno dei motori, continua a reagire per alcune ore nell’ambiente urbano, penetrando anche negli uffici. Le raffinerie, i depositi di carburante, la rete dei distributori di benzina, le stesse auto ferme nelle strade e nelle rimesse, le industrie che impiegano vernici e solventi, immettono continuamente nell’atmosfera urbana quantità non trascurabili di sostanze organiche volatili. Queste a loro volta vengono parzialmente trasformate dai componenti ossidanti dello smog fotochimico. Sia il traffico, che le attività industriali e artigianali che l’incinerazione dei rifiuti solidi urbani, liberano nei bassi strati dell’atmosfera grandi quantità di particolato di per sé altamente nocivo  (metalli pesanti, silice, amianto, polveri alcaline, nerofumo) o recante tracce adsorbite di sostanze mutagene e cancerogene (idrocarburi aromatici, composti aromatici policiclici, diossina e derivati).

I materiali di supporto della lezione

G. Barone, P. D'Ambra, D. di Serafino, G. Giunta, A. Murli, and A. Riccio. J. Environ.

Health and Manag., 1999

G. Barone, P. D'Ambra, D. di Serafino, G. Giunta, and A. Riccio. Computing and Visualization in Science, 1999.

G. Barone, P. D'Ambra, D. di Serafino, G. Giunta, A. Murli, and A. Riccio. Environ.

Modelling and Software, 2000

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P.J. Crutzen "Benvenuti nell'Antropocene" A. Mondatori, 2005.

B.J. Finlayson-Pitts, J.N. Pitts jr. "Chemistry of Upper and Lower Atmosphere" Academic

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W.H. Schlesinger "Biogeochemistry, an Analysis of Global Ch'ange", Acad.Press 1991.

S.H Schneider "L'effetto serra", GEO, 1990.

J. H. Seifeld, S.N. Pandis "Atmospheric Chemistry and Physics" J. Wiley & Sons, 1998.

R.P. Wayne "Chemistry of Atmospheres" Clarendon Press, 1993.

G. Visconti "Fondamenti di Fisica e Chimica dell'Atmosfera" CUEN 1998

Approfondimento: Effetto serra e riscaldamento globale

Approfondimento: Inquinamento nello strato limite planetario (P...

Approfondimento: Proprietà fisiche

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