Chimica ed inquinamento della Troposfera

1. Chimica ed inquinamento della Troposfera La troposfera è la parte di atmosfera più bassa, ovvero la parte di atmosfera compresa nella biosfera. È un ambiente estramamente ossidante a causa del’elevata concentrazione di ossigeno.

2. I fenomeni principali legati all’inquinamento della Troposfera sono: • Piogge acide • Smog fotochimico

3. Le piogge acide • Con il termine piogge acide si intende generalmente il processo di ricaduta dall’atmosfera di particelle, gas e precipitazioni acide. • Se questa deposizione acida avviene sotto forma di precipitazioni (piogge, neve, nebbie, rugiade, ecc.) si parla di deposizione umida, in caso contrario il fenomeno consiste in una deposizione secca. • Solitamente l’opinione pubblica fa invece coincidere il termine piogge acide con il fenomeno della deposizione acida umida. • Il fenomeno è stato scoperto in Gran Bretagna alla fine del 1800, ma è stato dimenticato fino agli anni ‘60 del secolo scorso

4. A partire dalla Rivoluzione industriale le quantità di anidride solforosa e di ossidi di azoto riversate nell’aria sono aumentate a dismisura per effetto del crescente consumo dei combustibili fossili • In genere, la maggior parte dei composti a base di zolfo si deposita entro 2-4 giorni dall'emissione. • Le maggiori deposizioni si verificano nelle regioni che presentano le emissioni più abbondanti e sono dovute in prevalenza ai depositi secchi di SO2. Alti tassi di deposizioni di composti solforati hanno luogo anche nelle regioni caratterizzate da elevate precipitazioni, come le aree costiere e montuose. • Gli ossidi di azoto tendono a restare più a lungo nell'atmosfera per cui vicino alle fonti di emissione si depositano quantità relativamente inferiori. • Per quanto riguarda le precipitazioni a livello globale, 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. • In Germania più dell’8% dell’intero patrimonio boschivo è stato gravemente danneggiato, se non compromesso. • In Italia l’azione delle piogge acide viene in parte tamponata dalla particolare costituzione geologica del terreno per cui non si raggiungono gli effetti drammatici che si possono rilevare negli altri paesi europei,

9. Acidificazione • Il pH naturale dell’acqua piovana non è neutro a causa della dissoluzione dell’anidride carbonica (CO2), presente naturalmente nell’atmosfera, si 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. • Viene perciò considerata acida una pioggia che presenta un valore di pH inferiore a 5

10. In presenza di anidride solforica e di biossido di azoto l’acqua reagisce formando rispettivamente acido solforico e nitrico SO3 + H2O -> H2SO4 NO2 + H2O -> HNO3 • essendo acidi forti determinano un ulteriore abbassamento del pH a valori estremamente bassi. • Tanto per fare un esempio, nel 1979 la neve caduta in Virginia occidentale (USA) aveva un pH pari a 1,7.

11. Effetti • Sui materiali • Sull’ecosistema • Sull’uomo • Sulle piante

12. Effetti sui materiali • La pioggia acida attacca quotidianamente le strutture edili, dai ponti di acciaio ai monumenti antichi migliaia di anni, arrecando danni anche enormi al patrimonio culturale del paese. • azione di tipo corrosivo • azione prettamente meccanica di dilavamento del materiale reso friabile e solubile dagli acidi. • gli inquinanti presenti nell’aria si sciolgono nell’acqua e vengono a diretto contatto con i materiali. Inoltre, nel caso in cui un aumento della temperatura favorisca l’evaporazione di quest’acqua di condensa, i contaminanti dell’aria si ritrovano a contatto delle superfici ad una concentrazione molto più alta, causando così anche maggiori danni.

13. Il principale bersaglio delle piogge acide risulta essere la pietra calcarea: l’acido solforico, presente nelle piogge acide, corrode il carbonato di calcio e lo trasforma in solfato di calcioH2SO4 + CaCO3 -> CaSO4 + H2O + CO2 La reazione è favorita da varie sostanze catalizzatrici come la polvere, il carbone, gli ossidi di vanadio o di ferro che sono spesso presenti nello smog. • L’acido solforico è in grado di attaccare anche il cemento armato (un sale di una base forte (la calce) e di un acido debole (l’acido silicico). L’acido solforico tende a combinarsi con la parte basica del cemento armato, proprio perché è legata ad un acido debole. Avviene così una reazione di solfatazione che porta alla lenta degradazione del materiale. • Pure gli ioni dell’acido nitrico sono in grado di attaccare le murature in mattoni, dato che sono in grado di solubilizzare il calcio e precipitare come nitrati. Il conseguente aumento di volume provoca lo sgretolamento dei mattoni. • Anche i metalli sono soggetti all’azione corrosiva dell’acido solforico e dell’acido nitrico. L’inquinamento da SO2 e CO2 corrode il rame: si formano tipiche patine verdastre costituite da carbonati basici e solfati basici di rame. Questa corrosione risulta evidente anche sul bronzo • L’acido solforico è in grado anche di attaccare il ferro (e quindi l’acciaio). Se la concentrazione del biossido di zolfo permane alta nell’aria, la degradazione delle strutture in ferro risulta continua.

14. L'azione delle piogge acide risulta particolarmente evidente su questa statua realizzata in Westphalia (Ger); la foto a sinistra è stata scattata nel 1908, mentre la foto a destra è del 1968: sono trascorsi solo 60 anni!

15. Effetti sulle piante • L’aggressione nei confronti delle piante è duplice. Può avvenire attraverso le foglie oppure attraverso modificazioni nella composizione chimica del terreno. • Le foglie rappresentano le parti della pianta più esposte e vulnerabili all’azione degli inquinanti dell’aria in quanto rappresentano la sede degli scambi gassosi. • Gli effetti di gran lunga più dannosi sono dovuti all’anidride solforosa. • L’inquinamento da biossido di azoto viene considerato di minore importanza in quanto provoca dei danni alla vegetazione solo a concentrazioni molto più alte della SO2

16. Quando gli inquinanti acidi (soprattutto anidride solforosa) arrivano al terreno sottoforma di precipitazioni o di deposizioni secche allora si attua l’acidificazione del suolo • Nel terreno si libera lo ione alluminio che è in grado di sostituire il calcio dai suoi siti di legame sui peli radicali delle piante • avviene una diminuzione dell’apporto dei nutrienti e la pianta si indebolisce notevolmente, esponendosi all’attacco di insetti, malattie e variazioni climatiche eccessive. • Questi fenomeni si evidenziano particolarmente nelle zone dove il suolo è più sottile e nelle aree nelle quali le piante sono maggiormente esposte alle intemperie (come l’alta montagna).

17. Azione delle piogge  acide su di una  foresta dell'Europa  Settentrionale

18. Effetti sull’ecosistema • Gli effetti degli inquinanti acidi sugli ecosistemi variano a seconda delle caratteristiche delle aree interessate. • In genere i suoli caratterizzati dalla presenza di rocce calcaree sono in grado di neutralizzare direttamente l’acidità per la presenza dei carbonati che permettono di mantenere costante il pH; in ogni caso il potere tampone del terreno alla lunga si esaurisce ed il suolo si acidifica. • I terreni più sensibili sono quelli derivati da rocce cristalline come il granito e le quarziti. Nei suoli poveri o totalmente privi di calcare gli inquinanti acidi causano l’impoverimento del terreno per la perdita di ioni calcio, magnesio, potassio e sodio. In effetti nel suolo avviene lo scambio degli ioni idrogeno liberati dagli acidi con questi cationi, che possono così essere solubilizzati e trasportati via con le acque di percolazione. • Il processo comporta anche la liberazione nel terreno degli ioni metallici che risultano spesso tossici per le piante. In particolare il forte abbassamento del pH provoca la liberazione dell’alluminio trivalente, estremamente tossico.

19. L’abbassamento del pH nel terreno può anche causare la compromissione di molti processi microbiologici, fra i quali l’azotofissazione (il processo che comporta l’arricchimento del suolo di azoto tramite la fissazione dell’azoto molecolare atmosferico). • Anche i corpi idrici sono soggetti ai fenomeni di acidificazione, soprattutto nelle aree dove sono presenti suoli che non sono in grado di tamponare l’azione degli inquinanti acidi. Il fenomeno si è manifestato soprattutto nei laghi della Scandinavia, degli Stati Uniti nordorientali e del Canada sudorientale. • Le conseguenze sugli organismi acquatici possono essere sia dirette, cioè dovute alla tossicità delle acque, che indirette, cioè dovute alla scomparsa dei vegetali o delle prede più sensibili all’acidificazione e che costituivano parte della catena alimentare. • ad un pH inferiore a 5 cessa la riproduzione della maggior parte dei pesci e cominciano a scomparire alcune specie, prime fra tutte i salmoni e le trote.

21. Effetti sull’uomo • Le precipitazioni acide non rappresentano un pericolo diretto per la salute umana. Il passeggiare sotto una pioggia acida o anche il nuotare in un lago acidificato non è più pericoloso di quanto possa essere farlo in acqua normale. • Possono insorgere dei danni alla salute nel caso in cui ci si nutra di alimenti provenienti da acque acide, per esempio pesci che abbiano accumulato nel loro corpo grandi quantità di metalli tossici (alluminio, manganese, zinco, mercurio, cadmio) liberati dai suoli e dilavati nelle acque per effetto dell’acidificazione.

22. SMOG FOTOCHIMICO • È detto anche “ozono nel posto sbagliato” • Smog = smoke + fog • Lo smog fotochimico è un particolare inquinamento dell’aria che si produce nelle giornate caratterizzate da condizioni meteorologiche di stabilità e di forte insolazione in cui vengono raggiunte elevate concentrazione di ozono (O3), perossiacetil nitrato (PAN), perossibenzoil nitrato (PBN), aldeidi e centinaia di altre sostanze a livello del suolo • 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.

23. Gli ossidi di azoto (NOx) 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 • 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 • sono in grado di degradare molti materiali diversi per il loro forte potere ossidante. • Il fenomeno è stato osservato a Los Angeles negli anni ’50

24. perché si manifesti questo fenomeno devono verificarsi delle precise condizioni ambientali. Se questi requisiti persistono, allora si realizza il gran numero di reazioni chimiche che comporta la formazione dello smog fotochimico. Queste condizioni comprendono: - la presenza della luce solare (che funge da catalizzatore);- una temperatura di almeno 18°C, necessaria perché molte delle reazioni del processo di formazione dello smog fotochimico richiedono specifiche energie di attivazione (garantite dalla temperatura relativamente alta);- la presenza di composti organici volatili (VOC);- la presenza di ossidi di azoto.

25. I VOC costituiscono un gruppo di composti organici che evaporano rapidamente all’aria alle normali condizioni di pressione e temperatura. Questo gruppo comprende sostanze come il benzene, l’etanolo ed il tricloroetano e miscele come la benzina e la trementina. La loro presenza nell’aria è dovuta principalmente alla combustione incompleta dei combustibili fossili, all’evaporazione di solventi e di carburanti ed alla combustione del materiale vegetale. • Gli ossidi di azoto vengono emessi principalmente nel corso dei processi di combustione, con le emissioni degli autoveicoli che utilizzano i combustibili fossili (sia benzina che gasolio), con la combustione di legna e gas in stufe e cucine e con l’incenerimento dei rifiuti. Una parte significativa di NOx deriva anche dagli incendi boschivi, dall’azione dei fulmini e dai vari processi microbiologici.

26. Le precipitazioni atmosferiche possono 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. Nel caso in cui sia invece presente una inversione di temperatura gli inquinanti restano intrappolati vicino alla superficie del suolo. • La topografia è un altro importante fattore. 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,

27. Effetti sull’uomo • Nello smog fotochimico sono presenti centinaia di sostanze chimiche che possono provocare degli effetti nocivi sull’uomo (ozono, ed il perossiacetil nitrato (PAN)). • Un’esposizione allo smog a bassi livelli di concentrazione provoca solo un’irritazione agli occhi, al naso, alla gola ed una fastidiosa lacrimazione. • Un’esposizione acuta può però peggiorare questi sintomi e condurre all’infiammazione dei polmoni, ad una crescente difficoltà nel compiere la respirazione, in un aumento della suscettibilità alle malattie respiratorie, all’aumento della sensibilità agli allergeni, alla riduzione delle performance atletiche, ad un senso di pena e di sofferenza nel compiere respiri profondi e ad un aumento degli attacchi di asma.

28. 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 perdità 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.

29. Effetti sull’ambiente • Gli effetti ambientali dello smog fotochimico sono particolarmente evidenti sui vegetali. • Lo smog diffuso su grande scala comporta infatti una diminuzione della produttività agricola, una resa minore dei raccolti ed una diminuzione nella qualità dei prodotti. • Le sostanze presenti nello smog fotochimico possono ridurre o addirittura bloccare la fotosintesi, diminuire la velocità di crescita ed anche limitare la riproduzione. • i danni si manifestano anche a concentrazioni minori di quelle dannose per l’uomo