Come l’attività dell’uomo ha modificato profondamente l’atmosfera

Di Fortuni Laura, Borghi Federica, Gaetani Gianluca, Baitach Saida e Cortese Caterina

Inquinamento atmosferico Inquinamento atmosferico è un termine che indica tutti gli agenti fisici, chimici e

biologici che modificano le caratteristiche naturali dell'atmosfera. Si può definire l’inquinamento atmosferico come la presenza nell'atmosfera di sostanze che causano un effetto misurabile sull’essere umano, sugli animali, sulla vegetazione o sui diversi materiali; queste sostanze di solito non sono presenti nella normale composizione dell’aria, oppure lo sono ad un livello di concentrazione inferiore.È difficile definire quando si possa parlare di inquinamento atmosferico. Infatti la prima difficoltà è chiarire il confine tra sostanze inquinanti e non inquinanti. Williamson (1973) ha proposto una distinzione tra inquinante e contaminante: un contaminante è "ogni cosa che viene aggiunta all'ambiente che causa una deviazione dalla composizione geochimica media"; l'inquinante, per essere considerato tale, deve essere un contaminante responsabile di causare effetti nocivi all'ambiente, inteso in senso lato come unione delle parti naturale ed antropica. I fenomeni di inquinamento sono il risultato di una complessa competizione tra fattori che portano ad un accumulo degli inquinanti ed altri che invece determinano la loro rimozione e la loro diluizione in atmosfera. L'entità e le modalità di emissione (sorgenti puntiformi, diffuse, altezza di emissione, ecc.), i tempi di persistenza degli inquinanti, il grado di mescolamento dell'aria, sono alcuni dei principali fattori che producono variazioni spazio-temporali della composizione dell'aria. L'aria è una miscela eterogenea formata da gas e particelle di varia natura e dimensioni. La sua composizione si modifica nello spazio e nel tempo per cause naturali e non, cosicché risulta arduo definirne le caratteristiche di qualità. L'impossibilità di individuare le proprietà di un ambiente incontaminato di riferimento induce a introdurre il concetto di inquinamento atmosferico stabilendo uno standard convenzionale per la qualità dell'aria. Si ritiene quindi inquinata l'aria la cui composizione eccede limiti stabiliti per legge allo scopo di evitare effetti nocivi sull'uomo, sugli animali, sulla vegetazione, sui materiali o sugli ecosistemi in generale.

Gli inquinanti vengono solitamente distinti in due gruppi principali: quelli di origine antropica, cioè prodotti dall’uomo, e quelli naturali.I contaminanti atmosferici, possono anche essere classificati in primari cioè liberati nell'ambiente come tali (come ad esempio il biossido di zolfo ed il monossido di azoto) e secondari (come l’ozono) che si formano successivamente in atmosfera attraverso reazioni chimico-fisiche. L'inquinamento atmosferico è l'accumulo di una o più sostanze, in concentrazioni tali da modificare le normali condizioni ambientali e di salubrità dell'aria; tali modifiche costituiscono un possibile pericolo per l'uomo e per l'ambiente.

Le principali fonti di inquinamento sono le emissioni in atmosfera derivanti dai processi produttivi, dalle attività industriali e artigianali, e dai processi di combustione, riscaldamento e traffico veicolare.

La possibilità che gli inquinanti reagiscano porta a distinguere tra inquinante:

primario: la sua immissione nell‘ambiente deriva da una sua emissione o produzione dal comparto; il monossido di carbonio è un esempio di inquinante primario, perché è un sottoprodotto della combustione

secondario: la produzione avviene nel comparto stesso ovvero nell'ambiente ricevente, in seguito a trasformazioni; la formazione di ozono nello smog è un esempio di inquinante secondario.

Principali inquinanti Data la grande varietà di sostanze presenti in atmosfera, sono stati proposti

numerosi metodi di classificazione: in primo luogo si può classificare in base alla composizione chimica, per cui si parla principalmente di composti che contengono zolfo, composti che contengono azoto, ce contengono il carbonio e composti alogeni. In secondo luogo si può classificare in base allo stato fisico: gassoso, liquido o solido; infine si può suddividere in base al grado di reattività in atmosfera, in sostanze primarie o secondarie.

Gli inquinanti primari possono essere di tipo gassoso o particolato(aerosol di piccole particelle solide classificate in base alle proprie dimensioni).

Tra i gas si segnalano: composti dello zolfo: i principali composti che contengono zolfo in

atmosfera sono: il biossido di zolfo (SO2), il solfuro di carbonile (COS), il solfuro di carbonio (CS2), il solfuro di idrogeno (H2S), il dimetilsolfato (CH3)2SO4. Le loro sorgenti principali sono la decomposizione biologica, la combustione dei combustibili fossili e di materia organica, lo spray marino e le eruzioni vulcaniche. Il biossido di zolfo, che costituisce il 95% del totale delle emissioni antropiche di zolfo, deriva da processi di combustione, in dipendenza dal contenuto di zolfo del combustibile usato. Esso è altamente solubile in acqua ed ha quindi un tempo di residenza in atmosfera relativamente breve (da 12 ore a 7 giorni) in quanto viene rimosso dalle precipitazioni; viene rimosso attraverso la sua ossidazione ad anidride solforica in presenza di catalizzatori quali particelle carboniose, composti azotati, ferro e manganese.

composti dell'azoto: i principali composti che contengono azoto sono: N2O, NO, NO2, NH3, HNO3, HONO, N2O5 ed i sali di NO3, NO2, NH4. Il più abbondante di questi in atmosfera è N2O che viene emesso principalmente per azione dei batteri nel suolo e secondariamente attraverso reazioni chimiche nella parte più alta dell'atmosfera. Non viene considerato inquinante in quanto chimicamente inerte alle temperature ordinarie. Sono invece considerati inquinanti il monossido e il biossido di azoto (No e NO2) Il primo viene prodotto da sorgenti sia naturali che antropiche, ed in particolare in tutti i processi di combustione, Gli NOx (NO + NO2) infatti si formano per gran parte attraverso la fusione delle molecole di ossigeno e di azoto, costituenti l'atmosfera, fusione favorita dalle elevate temperature di combustione. La miscela di NOx emessa è costituita per lo più da NO, mentre buona parte dell'NO2 ha origine secondaria e si forma in atmosfera per ossidazione del monossido.

composti del carbonio: In questa categoria i principali composti inorganici sono il monossido di carbonio (CO) e il biossido o anidride carbonica (CO2). L'anidride carbonica prodotta dalle attività umane deriva dai processi di combustione, mentre fino ad un secolo fa le emissioni erano bilanciate dalla rimozione da parte della vegetazione mediante la fotosintesi clorofilliana, il brusco aumento delle emissioni (causato dall'ampio uso di combustibili fossili) ha portato all'aumento delle concentrazioni di fondo. L'interesse che si è sviluppato attorno a questo composto è dovuto alle modificazioni climatiche su scala planetaria di cui è responsabile. Il monossido di carbonio invece è considerato altamente tossico in quanto avendo affinità con l'emoglobina impedisce l'ossigenazione dei tessuti. La sua sorgente primaria sono i fumi di scarico delle auto e in parte minore le centrali termoelettriche e gli impianti di riscaldamento; ha un tempo di residenza in atmosfera di circa un mese e viene rimosso mediate reazioni fotochimiche in troposfera. Hanno un ruolo fondamentale nella chimica dell'atmosfera ed in particolare nella regolazione delle capacità ossidative dell'atmosfera stessa i composti organici e cioè i composti costituiti da carbonio, idrogeno e ossigeno. Fanno parte di questa categoria numerosissimi composti catalogati in grosse classi di cui le principali sono: gli idrocarburi (suddivisi a loro volta in alcani come il metano, alcheni come l'etene, gli alchini come l'acetilene), gli aromatici come il benzene, le aldeidi come la formaldeide, i chetoni come gli acetoni.

composti alogenati (HCl, HF, HBr, CFC); radicali: il ruolo fondamentale dei radicali è insito nella loro definizione. Si

intende infatti per radicale libero un atomo o un gruppo di atomi contenente almeno un elettrone dispari (che occupa solo un orbitale) eccitato. I radicali quindi sono di norma molto reattivi in quanto tendono ad appaiare gli elettroni. I radicali di maggior interesse, in quanto reagiscono con gran parte dei composti organici ed inorganici, sono il radicale ossidrile (OH) e idroperossido (HO2) durante il giorno e il radicale nitrato (NO3) di notte. La principale sorgente di OH in aria è la fotolisi dell'ozono, processo che produce atomi di ossigeno elettronicamente eccitati i quali reagiscono con il vapore acqueo sempre presente in atmosfera. Altre sorgenti dirette di radicali OH sono le fotodissociazioni di acido nitroso (HONO) e di perossido di idrogeno (H2O2) e la reazione tra HO2 e il monossido di azoto.

Il particolato si classifica in ragione del diametro delle particelle; si considerano grossolane quelle con diametro maggiore di 2.5 µm e fini quelle con diametro inferiore a 2.5 µm. Si distinguono inoltre come inalabili le particelle con diametro minore di 10 µm (PM10).

I principali inquinanti secondari di tipo gassoso sono: NO2 formato da NO primario; O3 formato per via fotochimica.Entrambi questi gas intervengono nei complessi meccanismi di reazione che

costituiscono il cosiddetto "smog fotochimico"Il particolato secondario può derivare da reazioni chimiche e chimico-fisiche

che coinvolgono inquinanti gassosi sia primari che secondari. I più noti sono: la trasformazione di SO2 in solfati SO4; la trasformazione di NO2 in nitrati NO3; la trasformazione di composti organici in particelle organiche.

Contaminanti gassosiI contaminanti gassosi più abbondanti sono:

Monossido di carbonio, (CO): emesso principalmente dai processi di combustione, particolarmente dagli scarichi di veicoli con motori a idrocarburi, a causa di una combustione incompleta. Le concentrazioni maggiori si trovano generalmente nei pressi delle strade. L'inalazione in grandi quantità può causare mal di testa, fatica e problemi respiratori. Il limite massimo previsto per legge in Italia è di 10 mg/m³ in una media di 8 ore (D.M. 02-04-2002). Sopra i 500 mg/m³ può essere letale.

Anidride carbonica, (CO2): anche questo gas è emesso principalmente dai processi di combustione, particolarmente dagli scarichi di veicoli con motori a idrocarburi, escluso il metano. La concentrazione dell'anidride carbonica al di là di lievi variazioni stagionali si valuta che abbia subito un aumento, dal 1750 del 31%. Nel 2004 la concentrazione nell'atmosfera era di 379 ppm nell'era preindustriale di 280 ppm. È il gas serra maggiormente responsabile del riscaldamento globale dovuto ad attività antropiche.

Clorofluorocarburi, che distruggono lo strato di ozono della stratosfera.

Piombo e altri metalli pesanti: tossici e spesso cancerogeni, mutageni e teratogeni.

Ossidi di azoto (NOx): le emissioni sono principalmente nella forma di NO, che viene ossidato dall'ozono (O3) per formare il diossido d'azoto (NO2). L'ossido di azoto è irritante per gli occhi ed il tratto respiratorio. L'inalazione può causare edema polmonare, inoltre può avere effetti sul sangue, causando formazione di metaemoglobina. I vari ossidi di azoto reagiscono inoltre con gli idrocarburi nell'atmosfera per generare smog fotochimico. Può depositarsi in siti ecologicamente sensibili causando acidificazione ed eutrofizzazione. Gli ossidi di azoto, come d'altronde gli ossidi di zolfo sono anche precursori del particolato fine.

Diossido di zolfo generato dalla combustione di carburanti contenenti zolfo, principalmente nelle centrali elettriche e durante la fusione di metalli ed in altri processi industriali. Il diossido di zolfo causa le piogge acide

Ozono presente negli strati inferiori dell'atmosfera è un inquinante secondario formato da reazioni fotochimiche che coinvolgono gli ossidi di azoto e i composti organici volatili. Sebbene l'ozono presente negli strati superiori dell'atmosfera (stratosfera) aiuti a ridurre l'ammontare di radiazioni ultraviolette che raggiungono la superficie terrestre quello presente nella bassa atmosfera è un gas irritante e può causare problemi alla respirazione.

Composti organici volatili (spesso abbreviati in VOC, Volatile organic compounds) includono diversi composti chimici organici, tra cui il Benzene (C6H6). Provengono da vernici, solventi, prodotti per la pulizia e da alcuni carburanti (benzina e gas naturale). Il benzene è un cancerogeno, mentre altri sono tra le cause dell'effetto serra.

L’aria che respiriamo può essere contaminata da queste sostanze inquinanti provenienti da industrie, veicoli, centrali elettriche e molte altre fonti. Questi inquinanti rappresentano un grosso problema per gli effetti dannosi che possono avere nei confronti della salute o dell’ambiente in cui viviamo. Il loro impatto dipende da vari fattori, come ad esempio la quantità di inquinante dell’aria al quale si è esposti, la durata dell’esposizione e la pericolosità dell'inquinante stesso. Gli effetti sulla salute possono essere di piccola entità e reversibili (come un’irritazione agli occhi) oppure debilitanti (come un aggravamento dell’asma) o anche fatali (come il cancro).

Il buco dell’ozono La stratosfera terrestre contiene una concentrazione

relativamente alta di ozono, un gas costituito da tre atomi di ossigeno (O3) e che rappresenta un vero e proprio schermo nei confronti delle pericolose radiazioni ultraviolette (raggi UV) provenienti dal sole. Ogni anno, durante la primavera dell’emisfero australe, la concentrazione dell’ozono stratosferico nell’area situata in prossimità del Polo Sud diminuisce a causa di variazioni naturali. Purtroppo, a causa degli inquinanti rilasciati in atmosfera, sin dalla metà degli anni settanta questa periodica diminuzione è diventata sempre più grande, tanto da indurre a parlare del fenomeno come del “buco dell’ozono”. 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.In effetti il fenomeno non rappresenta nient’altro che l’aspetto più evidente della generale e graduale diminuzione dell’ozono nella stratosfera. Il problema è estremamente importante in quanto una riduzione dell’effetto schermante dell’ozono comporta un conseguente aumento dei raggi UV che giungono sulla superficie della Terra.

Nell’uomo l’eccessiva esposizione a questi raggi è correlata ad un aumento del rischio di cancro della pelle, generato a seguito delle mutazioni indotte nel DNA delle cellule epiteliali. I raggi ultravioletti possono causare inoltre una inibizione parziale della fotosintesi delle piante, causandone un rallentamento della crescita e, nel caso si tratti di piante coltivate, una diminuzione dei raccolti. I raggi UV possono anche diminuire l’attività fotosintetica del fitoplancton che si trova alla base della catena alimentare marina, causando di conseguenza uno scompenso notevole a carico degli ecosistemi oceanici.

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 (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); in pratica si comportano come i vetri di una serra e favoriscono la regolazione ed il mantenimento della temperatura terrestre ai valori odierni.Questo processo è sempre avvenuto naturalmente e fa sì che la temperatura della Terra sia circa 33°C più calda di quanto lo sarebbe senza la presenza di questi gas.Ora, comunque, si ritiene che il clima della Terra sia destinato a cambiare perché le attività umane stanno alterando la composizione chimica dell’atmosfera. 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. Prima della Rivoluzione Industriale, l’uomo rilasciava ben pochi gas in atmosfera, ma ora la crescita della popolazione, l’utilizzo dei combustibili fossili e la deforestazione contribuiscono non poco al cambiamento nella composizione atmosferica.

Monitoraggio degli inquinanti Il monitoraggio degli inquinanti dell’aria consiste nella misurazione degli

agenti aerodispersi potenzialmente pericolosi per la salute o per l’ambiente. Il processo non si limita, però, alla raccolta dei dati, in quanto le misure ricavate vengono utilizzate per valutare l’esposizione agli inquinanti mediante una comparazione con degli appropriati valori di riferimento estrapolati da un gran numero di studi scientifici specifici ed accurati. La valutazione si fonda sulla determinazione dei valori di concentrazione delle sostanze tramite degli approcci induttivi e deduttivi. Nel primo caso si utilizzano delle misurazioni dirette, ottenute mediante l’impiego di analisi chimico/fisiche, sensori o strumenti più o meno complessi e realizzati per ricavare dei dati reali di concentrazione degli agenti in esame. L’approccio deduttivo, invece, si basa su tutta una serie di dati meno diretti, dai quali si calcola la concentrazione presunta degli inquinanti nell’aria. Il monitoraggio si fonda essenzialmente sui metodi induttivi.In alcuni casi però, è estremamente difficile rapportare la concentrazione degli inquinanti rilevata nei punti di campionamento alla realtà espositiva, per cui risulta conveniente integrare i dati sperimentali con una valutazione più organica, che può sfruttare anche dei calcoli più o meno complicati o dei modelli matematici opportuni.Nei casi più semplici, si può procedere alla determinazione della concentrazione degli inquinanti aerodispersi con il solo approccio induttivo, in altri con il solo metodo matematico-deduttivo; nei casi più complicati, invece, risulta sempre preferibile un approccio globale che preveda l’integrazione dei dati analitici con le elaborazioni matematiche.

I più importanti fattori meteorologici che interessano il fenomeno dell’inquinamento atmosferico sono:

il vento orizzontale (velocità e direzione), generato dalla componente geostrofica e modificato dal contributo delle forze di attrito del terreno e da effetti meteorologici locali, come brezze marine, di monte e di valle, circolazioni urbano-rurali, ecc.;

la stabilità atmosferica, che è un indicatore della turbolenza atmosferica alla quale si devono i rimescolamenti dell'aria e quindi il processo di diluizione degli inquinanti;

la quota sul livello del mare; le inversioni termiche che determinano

l'altezza del PBL; movimenti atmosferici

La meteorologia dell’inquinamento atmosferico

Smog fotochimico 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 (NO) e i composti organici volatili (VOC), emessi nell’atmosfera da molti processi naturali od antropogenici, vanno incontro ad un complesso sistema di reazioni fotochimiche indotte dalla luce ultravioletta presente nei raggi del sole; il tutto porta alla formazione di ozono (O3), perossiacetilnitrato (PAN), perossibenzoilnitrato (PBN), aldeidi e centinaia di altre sostanze. Tali inquinanti secondari vengono indicati col nome collettivo di smog fotochimico perché sono generati da reazioni chimiche catalizzate dalla luce e costituiscono la componente principale dello smog che affligge molte città ed aree industrializzate. 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. I composti che costituiscono lo smog fotochimico sono sostanze tossiche per gli esseri umani, per gli animali ed anche per i vegetali, inoltre sono in grado di degradare molti materiali diversi per il loro forte potere ossidante.

 Sullo sfondo è ben  visibile la cappa di  smog fotochimico dal  caratteristico colore  dovuto alla presenza  del biossido di azoto.

Lo smog fotochimico si verifica in estate e nelle ore centrali della giornata in presenza di alta insolazione, bassa velocità del vento, temperatura superiore ai 18°C ed è costituito da ossidi di azoto, ozono ed ossido di carbonio prodotto specialmente dal traffico automobilistico.

Rispetto allo smog classico, quello fotochimico è caratterizzato da un'attività chimica molto più intensa e presenta una complessa catena di reazioni che hanno luogo sotto l'effetto della luce.

 In linguaggio tecnico, il termine si riferisce al miscuglio di gas inquinanti che si forma nella bassa atmosfera per azione della luce solare sulle emissioni antropogeniche, con produzione di gas chimicamente reattivi. Uno dei principali reagenti di queste reazioni fotochimiche è costituito dall'ozono.

Questo tipo di inquinamento rappresenta un problema per la salute dell' uomo, degli animali e delle piante. Purtroppo, dato che le reazioni che portano alla formazioni di agenti fotochimici sono molto complesse, e la loro distribuzione è legata alle condizioni meteorologiche, risulta difficile prevederne l’evoluzione e la distribuzione spazio- temporale e prendere conseguentemente i dovuti provvedimenti. Comunque, nonostante il gran numero di sostanze chimiche pericolose presenti, lo smog fotochimico non ha provocato effetti acuti così drammatici come lo smog classico che, durante gli episodi più gravi, ha causato migliaia di morti in eccesso rispetto ai valori normali.

I principali effetti dello smog fotochimico sono una forte irritazione agli occhi e difficoltà nella respirazione.

Evoluzione dell’inquinamento atmosferico dell’aria negli anni Alla diminuzione del biossido di zolfo hanno contribuito i provvedimenti

legislativi e le ordinanze sindacali che hanno imposto il cambiamento dei combustibili impiegati per le attività produttive e favorito l’ uso del metano per il riscaldamento degli ambienti domestici, mentre la diminuzione delle concentrazioni di PTS è stata consentita dall’ uso di combustibili più pulite meno ricche di particelle carboniose, e dalla chiusura di grossi impianti industriali. 

Alla diminuzione delle emissioni di NO e di CO sta contribuendo, tra l’ altro, il rinnovo del parco autoveicolare, attuato con auto catalizzate e revisionate in seguito all’ adozione del provvedimento del cosiddetto “ bollino blu”. Benchè negli ultimi anni, ad eccezione dell’ ultimo inverno 1999-2000 non siano stati adottati provvedimenti d’ emergenza per il contenimento dell’inquinamento atmosferico, non si deve pensare ad un miglioramento stabile e definitivo. IL problema più urgente da risolvere resta quello delle emissioni indirette. Tra queste ricordiamo la dispersione degli idrocarburi dai distributori di carburante, lo spreco di combustibile per cattiva combustione e per cattivo isolamento termico degli ambienti e l’ uso scorretto o la cattiva manutenzione degli autoveicoli. In generale si può comunque affermare che la quantità dell’ aria a Milano è notevolmente migliorata negli ultimi anni, infatti non si registrano più valori inquinanti eccezionalmente alti e persistenti. Oggi, in inverno i problemi maggiori sono costituiti soprattutto dalle polveri fini inalabili, inquinante per il quale la legge ha fissato solo recentemente i limiti. Gli episodi più acuti di inquinamento atmosferico si verificano soprattutto tra la metà di novembre e la metà di febbraio e tra la metà di giugno e di agosto.

Sono stati organizzati incontri tra scienziati e politici di molti paesi del mondo per trovare soluzioni a questo problema, in particolare è importante l'accordo di Kyoto, in cui si propone l'obiettivo di una riduzione del 5,2% delle emissione di gas-serra. L'Europa sembra decisa a ratificare il protocollo di Kyoto, gli Usa NO.

Rimedi per ridurre l’inquinamento dell’ariaDotare gli autoveicoli di marmitta catalitica, perché in

essa avvengono reazioni chimiche che riducono le emissioni nocive del 90%.

Realizzazione di zone a traffico limitato; Realizzazione di barriere verdi; Potenziamento dei mezzi pubblici; Domeniche ecologiche; Adozione del "bollino blu”; Taxi collettivo; Le targhe alterne; I mezzi elettrici o con mezzi con motori a

inquinamento ridotto.