Inquinamento atmosferico

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Inquinamento atmosferico sulla pianura padana. Foto da satellite. Fonte: NASA

Inquinamento atmosferico è un termine che indica tutti gli agenti fisici (particolati), chimici e biologici che modificano le caratteristiche naturali dell'atmosfera.

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 veriazioni spazio-temporali della composizione dell'aria.

Questo è uno dei problemi maggiormente sentiti dalle popolazioni dei grandi agglomerati urbani, di cui ci si è iniziati a preoccupare solamente negli ultimi 30 anni. Dagli anni '70 infatti sono state adottate delle politiche per la riduzione degli agenti chimici e di numerose altre sostanze particolari presenti nell'aria. Queste politiche per una maggior salvaguardia dell'ambiente hanno dato dei risultati per alcuni inquinanti come ad esempio il biossido di zolfo, il piombo e il monossido di carbonio; per altri come ad esempio il biossido di azoto, l'ozono e le PM10 non hanno portato i risultati sperati, dei quali si è scoperto solo recentemente la loro criticità per quanto riguarda la salute.

Indice

Definizione di inquinante atmosferico

Gli scarichi degli ormai numerosissimi aerei, un fattore inquinante che desta crescente preoccupazione

Fattore o sostanza che determina l'alterazione di una situazione stazionaria attraverso:

  • modifica dei parametri fisici e/o chimici;
  • variazione di rapporti quantitativi di sostanze già presenti;
  • introduzione di composti estranei deleteri per la vita direttamente o indirettamente.

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.

Distinzione tra primario e secondario

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.

Esistono inoltre inquinanti, come il particolato fine, in cui, secondo molti studi, si equivalgono numericamente le componenti primarie e secondarie.

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.

Tra i gas si segnalano (Zanetti, 1990):

  • 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 dimetil sulfato (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 colfo, 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, coposti 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 enerte alle temperature ordinarie. Sono invece considerati inquinanti il monossido e il biossodo 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 somposti 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.

Particolato

Il particolato è un aerosol di piccole particelle solide classificate in base alle loro dimensioni. Le particelle atmosferiche sono di solito misurate in PTS (Polveri Totali Sospese): PM10 quando il diametro aereodinamico medio è minore di 10 micron (possono raggiungere i polmoni), PM2,5 quando il loro diametro aerodinamico medio è inferiore a 2,5 micron (più dannose perché possono passare attraverso i filtri delle vie aeree respiratorie superiori).
L'attenzione si sta ora focalizzando sull'impatto sulla salute di particelle ancora più piccole, le PM0,1 e le cosiddette nanopolveri (ancora più fini), che -penetrando ulteriormente a fondo- sono ritenute ancora più dannose.

Per approfondire, vedi le voci particolato, nanopolvere, nanotossicologia e oscuramento globale.

Contaminanti gassosi

Contaminanti gassosi importanti 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 la 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 l'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.

Effetti degli inquinanti sulla salute umana

Monossido di carbonio, (CO): Gli effetti negativi del monossido di carbonio sulla salute umana sono legati alla capacità del CO di unirsi all'emoglobina del sangue formando la carbossiemoglobina (COHb). In questo modo il CO occupa il posto normalmente occupato dall'ossigeno, così da ridurre la capacità del sangue di trasporto dell'ossigeno e di conseguenza la quantità di ossigeno che il sangue lascia nei tessuti. inoltre vi è la possibilità che il CO si unisca ad alcuni composti presenti nei tessuti stessi riducendo la loro capacità di assorbire ed usare ossigeno (Horowitz, 1982). La concentrazione di COHb presente nel sangue è naturalmente legata alla concentrazione di CO presente nell'aria che viene respirata (Cobrun et al., 1965). Molti sono gli studi fatti per capire il legame tra la perecentuale di COHb nel sangue e gli effetti sanitari macroscopici. I danni arrecati dal COHb alla salute umana sono legati essenzialmente agli effetti sul sistema cardiovascolare e sul sistema nervoso.

La meteorologia dell'inquinamento atmosferico

Pressoché la totalità dei fenomeni di inquinamento atmosferico avviene nella porzione più bassa dell'atmosfera chiamata "Planetary Boundary Layer" (Strato Limite Planetario), o PBL. Il PBL comprende la parte di troposfera nella quale la struttura del campo anemologico risente dell'influenza della superficie terrestre e si estende fino a oltre 1 km di altezza.

I più importanti fattori meteorologici che interessano i fenomeni di inquinamento atmosferico sono (Zanetti, 1990):

  • 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;
  • i movimenti atmosferici verticali dovuti a sistemi baroclini od orografici.

La stabilità atmosferica assume un ruolo fondamentale nella dispersione degli inquinanti. Nella troposfera la temperatura normalmente decresce all'aumentare dell'altitudine. Il profilo di temperatura di riferimento per valutare il comportamento delle masse d'aria è quello osservato per una particella d'aria che si innalza espandendosi adiabaticamente. Quando il profilo reale coincide con quello di riferimento, una particella d'aria - a qualsiasi altezza venga portata - si trova in equilibrio indifferente, cioè non ha alcuna tendenza né a salire né a scendere (atmosfera neutra). Quando la temperatuta decresce con l'altezza più velocemente del profilo di riferimento, le particelle d'aria ad ogni quota si trovano in una condizione instabile perché se vengono spostate sia verso il basso che verso l'alto continuano il loro movimento nella medesima direzione allontanandosi dalla posizione di partenza. Se invece la temperatura decresce con l'altezza più lentamente del profilo adiabatico, o addirittura aumenta (situazione detta di inversione termica), le particelle d'aria sono inibite sia nei movimenti verso l'alto che verso il basso e la situazione è detta stabile. Condizioni neutre si verificano tipicamente durante le transizioni notte-giorno, in presenza di copertura nuvolosa, o con forte vento. Condizioni instabili si verificano quando il trasporto di calore dal suolo verso l'alto è notevole, come accade nelle giornate assolate. Le condizioni stabili, che si verificano tipicamente nelle limpide notte continentali con vento debole, sono le più favorevoli ad un ristagno ed accumulo degli inquinanti.

I più gravi episodi di inquinamento si verificano in condizioni di inversione termica; in questi casi infatti gli inquinanti emessi al di sotto della quota di inversione (a meno di possedere un'energia meccanica sufficiente a forare l'inversione), non riescono ad innalzarsi poiché risalendo si trovano ad essere comunque più freddi e dunque più pesanti dell'aria circostante.

Voci correlate

Collegamenti esterni

Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Inquinamento_atmosferico"
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