Oceanografia chimica e laboratorio

Oceanografia chimica

Il sistema Terra

Il modo di studiare la Terra per la sua unicità nel Sistema Solare (link su Pianeta Terra), di cui fa parte, ha subito negli ultimi decenni una notevole evoluzione. Si è andata sempre più affermando una visione unificatrice delle varie componenti strutturali e funzionali che il nostro pianeta accoglie. Queste nuove prospettive si sono concretizzate in teorie, principalmente due, che vedono la Terra come:

• Un sistema complesso in evoluzione, portando all’elaborazione di una nuova scienza, Earth System Science (E.S.S.), cioè Scienza del Sistema Terra, con un approccio multidisciplinare che raccoglie le conoscenze fisiche, chimiche e biologiche dei vari comparti della Terra. Bretherton ha elaborato un modello complesso che interpreta il Sistema Terra secondo la E.S.S., che viene illustrato con un diagramma semplificato. (link a sito su Earth System Science) Diagramma semplificato di Bretherton.
• O addirittura un organismo: Ipotesi Gaia. A partire dagli anni sessanta il chimico inglese James Lovelock (link a Lovelock), elaborò una teoria che considera la Terra come unico sistema fisiologico, un’entità viva, Gaia (con una deformazione del termine greco gea=terra). Secondo questa visione gli organismi viventi, il clima, l'ambiente terrestre, sono un tutto integrato, un unico superorganismo in cui l'attività dei viventi modifica gli aspetti fisici e questi a loro volta influiscono sull'evoluzione e sul mantenimento della vita sul pianeta.
• La biologa americana Lynn Margulis (link a Margulis) sviluppò la teoria endosimbiotica per le cellule eucariote e dimostrò che i Protisti sono all’origine di tutti gli organismi, condividendo l’idea di Lovelock riguardo a un sistema Terra in cui la vita si è adattata all’ambiente fisico e chimico per svilupparsi ed ha finito per influire anche sulle condizioni fisiche e chimiche rendendole più favorevoli al suo sviluppo.

Cosa è una scienza ambientale?

Scienza ambientale è, nel suo più ampio significato, l'insieme di interazioni che avvengono tra gli ambienti terrestre, acquatico, vivente e antropologico. Essa include le leggi emanate dai governi e tutte le discipline, come la chimica, la biologia, l'ecologia, la sociologia, che influenzano o descrivono tali interazioni.

Una definizione possibile di scienza ambientale è: lo studio della terra, dell'aria, dell'acqua e degli ambienti viventi e gli effetti della tecnologia su di essi. La scienza ambientale si è evoluta in modo significativo grazie alle ricerche effettuate sui modi e sui luoghi in cui gli organismi viventi compiono i loro cicli vitali. Questo è il campo della storia naturale, che in tempi recenti si è evoluta nell'ecologia, cioè lo studio dei fattori ambientali che incidono sugli organismi e sul modo in cui essi interagiscono tra di loro.

Nel bene o nel male, la tecnologia ha influito irreversibilmente sull'ambiente in cui tutti gli esseri umani devono vivere. Perciò la tecnologia potrebbe essere considerata strettamente in funzione di come essa incida sull'ambiente e del modo in cui, usata intelligentemente da persone preparate sulla scienza dell'ambiente, possa aiutare piuttosto che danneggiare la Terra, dalla quale tutti gli esseri viventi dipendono per il loro benessere e la loro esistenza.

L'ambiente

Aria, acqua, terra, vita e tecnologia sono fortemente collegate, come mostrato in Figura 1.1. Tradizionalmente la scienza ambientale è divisa tra lo studio dell'atmosfera, dell'idrosfera, della geosfera e della biosfera.

L'atmosfera è il sottile strato di gas che circonda la superficie terrestre. Essa, oltre ad assolvere il suo ruolo di riserva di gas, mitiga la temperatura della Terra, assorbe l'energia e le dannose radiazioni ultraviolette del sole, trasporta l'energia lontano dalle regioni equatoriali e funge, nel ciclo idrologico, da sentiero per i movimenti in fase vapore dell'acqua.

L'idrosfera contiene l'acqua terrestre. Oltre il 97% dell'acqua della Terra si trova negli oceani e la maggior parte dell'acqua dolce è sotto forma di ghiaccio. Perciò, solo una percentuale relativamente bassa dell'acqua totale sulla Terra è realmente coinvolta nei processi terrestri, atmosferici e biologici. Ad esclusione dell'acqua marina, l'acqua che circola nei processi e nei cicli ambientali si trova nell'atmosfera, nel sottosuolo, come acqua di falda e in torrenti, fiumi, laghi, stagni e bacini artificiali, come acqua superficiale.

La geosfera è composta dalla terra solida, compreso il suolo che sostiene la vita della maggior parte delle piante. La parte della geosfera che è direttamente coinvolta nei processi ambientali attraverso il contatto con l'atmosfera, l'idrosfera e gli organismi viventi è la litosfera. La litosfera varia in spessore da 50 a 100 km. La parte più importante della litosfera, dal punto di vista dell'interazione con le altre "sfere" dell'ambiente, è il sottile strato esterno, chiamato crosta, costituito principalmente da minerali più leggeri a base di silicati.

Tutti gli esseri viventi sulla Terra compongono la biosfera. Questi organismi e gli aspetti dell'ambiente che li riguardano direttamente sono chiamati i biotici; le altre parti dell'ambiente sono abiotiche. In larga misura le forti interazioni tra gli organismi viventi e le varie sfere dell'ambiente abiotico sono meglio descritte dai cicli della materia (cicli biogeochimici), che coinvolgono fenomeni e processi biologici, chimici e geologici.

Chimica e biochimica dell'ambiente

La chimica dell'ambiente include molti differenti aspetti. Può riguardare lo studio di reazioni di Freons nella stratosfera o l'analisi di depositi di PCB nei sedimenti oceanici; essa comprende anche la chimica e la biochimica dei composti organometallici volatili e solubili biosintetizzati dai batteri anaerobici. Si potrebbero dare migliaia di altri esempi di fenomeni chimici ambientali. La chimica dell'ambiente può essere definita come lo studio delle sorgenti, delle reazioni, del trasporto, degli effetti e del destino delle specie chimiche in acqua, suolo e aria e degli effetti della tecnologia su di essi.

La chimica dell'ambiente non è una nuova disciplina. Un lavoro eccellente è stato fatto in questo campo durante la maggior parte di questo secolo. Fino al 1970 circa, la maggior parte di questo lavoro venne svolto in dipartimenti accademici o da gruppi industriali diversi da quelli principalmente interessati alla chimica. Fu realizzato essenzialmente da persone la cui preparazione di base non era di chimica. Così, quando furono sintetizzati i pesticidi, i biologi ebbero una conoscenza diretta di alcune delle meno desiderabili conseguenze del loro uso. Quando furono formulati i detersivi, gli ingegneri sanitari rimasero sgomenti nel vedere le vasche di aerazione degli impianti di trattamento delle acque di rifiuto scomparire sotto spessi strati di schiuma, mentre i limnologi si meravigliarono nel vedere dei laghi, in precedenza normali, soffocare sotto l'effetto di cianobatteri maleodoranti.

Nonostante questi effetti ambientali di vecchia data e nonostante altri problemi più recenti e più seri, come quelli derivanti dai rifiuti pericolosi, relativamente pochi chimici vengono a conoscenza, nel corso della loro istruzione, di argomenti inerenti la chimica dell'ambiente.

L'analisi chimica nella chimica dell'ambiente

Una delle maggiori sfide della chimica dell'ambiente è la determinazione della natura e della quantità di specifici inquinanti nell'ambiente. Per questo l'analisi chimica è il primo passo vitale della ricerca in chimica dell'ambiente. Le difficoltà di analisi per molti inquinanti ambientali possono essere impressionanti. Livelli significativi di un inquinante atmosferico possono essere rappresentati da valori inferiori a un microgrammo per metro cubo di aria. Per molti inquinanti dell'acqua, una parte per milione in peso (praticamente un milligrammo per litro) è un valore molto elevato. Per alcuni inquinanti si hanno dei livelli significativi, dal punto di vista di danno per l'ambiente, anche a concentrazioni di poche parti per trilione. Per questi motivi è ovvio che le analisi chimiche utilizzate per lo studio di alcuni sistemi chimici richiedono limiti di rilevabilità molto bassi.

Comunque, chimica dell'ambiente e chimica analitica non sono la stessa cosa, essendo quest'ultima solo una delle tante discipline che sono coinvolte nello studio della chimica dell'ambiente. Un approccio "brutale" al controllo dell'ambiente, che implicherebbe il monitoraggio di ogni nicchia ambientale per ogni possibile inquinante, aumenta la possibilità di lavoro per i chimici e incrementa le vendite della strumentazione chimica, ma è una via disastrosa per valutare e per risolvere i problemi ambientali, degenerando in un vano esercizio di collezione di numeri solo marginalmente utili.

Coloro che sono responsabili della protezione dell'ambiente devono andare oltre questi aspetti. Per consentire alla chimica di dare il massimo contributo per la soluzione dei problemi ambientali, il chimico deve lavorare verso la comprensione della natura, delle reazioni e dei meccanismi di trasporto delle specie chimiche nell'ambiente. La chimica analitica è una parte fondamentale e cruciale di questo sforzo, ma ciò non significa che sia tutto.

Biochimica dell'ambiente

Gli interessi ultimi dell'ambiente sono quelli della vita stessa. La disciplina che tratta specificamente degli effetti che le varie specie chimiche dell'ambiente hanno sulla vita è la biochimica dell'ambiente. Un'area ad essa correlata, la chimica tossicologica, è la chimica delle sostanze tossiche con una particolare enfasi posta sulle loro interazioni con i tessuti biologici e con gli organismi viventi. Essa, che verrà trattata in dettaglio nel Capitolo 22, studia la natura chimica e le reazioni delle sostanze tossiche e comprende le loro origini, il loro uso e gli aspetti chimici dell'esposizione, del loro destino e del loro smaltimento.

Acqua, aria, suolo, vita e tecnologia

Alla luce delle definizioni date sopra, è possibile ora considerare la chimica dell'ambiente dal punto di vista delle interazioni tra acqua, aria, terra, vita e tecnologia evidenziate in Figura 1.1. Queste quattro "sfere" dell'ambiente, e le correlazioni che esistono tra di esse, sono riassunte in questo capitolo.

Acqua ed idrosfera

L'acqua, con l'apparentemente semplice formula chimica H₂O, è una sostanza di importanza vitale in tutte le parti dell'ambiente. Essa copre il 70% circa della superficie della Terra. Si trova in tutte le sfere dell'ambiente, negli oceani, come vasta riserva di acqua marina, sulle terre emerse, come acqua di superficie nei laghi e nei fiumi, nel sottosuolo, come falde idriche, nell'atmosfera come vapore acqueo e nelle calotte polari come ghiaccio. L'acqua è una parte essenziale di tutti i sistemi viventi ed è il mezzo dal quale la vita si è evoluta e in cui esiste.

L'energia e la materia sono trasportate dall'acqua attraverso le varie sfere dell'ambiente. L'acqua scioglie i costituenti solubili dei minerali e li trasporta fino agli oceani o li lascia come depositi minerali a una certa distanza dalle loro sorgenti; essa trasporta il nutrimento per le piante dal suolo all'interno di esse, attraverso le radici. L'energia solare assorbita nell'evaporazione dell'acqua degli oceani viene trasportata come calore latente e rilasciata sulla terra emersa. Il rilascio del calore latente fornisce l'energia che trasporta il calore dalle regioni equatoriali verso i poli terrestri causando fortissime tempeste.

L'acqua è ovviamente un argomento fondamentale nelle scienze ambientali.

Aria ed atmosfera

L'atmosfera è un mantello protettivo che alimenta la vita sulla Terra e la protegge dall'ambiente ostile dello spazio. Essa è la sorgente di biossido di carbonio per la fotosintesi delle piante e di ossigeno per la respirazione. Fornisce l'azoto che i batteri fissatori di azoto e le industrie che producono ammoniaca utilizzano per produrre azoto chimicamente legato, una componente essenziale delle molecole vitali. Come parte fondamentale del ciclo idrologico (Capitolo 2, Figura 2.1), l'atmosfera trasporta l'acqua dagli oceani alla terra emersa, agendo così da condensatore in un grande distillatore solare. L'atmosfera inoltre ha una funzione protettiva per la vita, perché assorbe le radiazioni ultraviolette più dannose provenienti dal sole e stabilizza la temperatura della Terra.

La scienza dell'atmosfera tratta dei movimenti di masse di aria nell'atmosfera, del bilancio termico atmosferico, della composizione chimica e delle reazioni dell'atmosfera.

Il suolo

La geosfera, o Terra solida, è quella parte della Terra sulla quale vivono gli esseri umani e dalla quale essi prendono la maggior parte del loro cibo, dei minerali e dei combustibili. La Terra è divisa in strati che comprendono il nucleo interno, solido e ricco di ferro, il nucleo più esterno, fuso, il mantello e la crosta. La scienza dell'ambiente si interessa principalmente della litosfera, che è costituita dal mantello più esterno e dalla crosta. Quest'ultima è lo strato più esterno della Terra, l'unico accessibile agli esseri umani. Essa è estremamente sottile, se paragonata al diametro terrestre, e varia tra i 5 e i 40 Km di spessore.

La geologia è la scienza della geosfera. Come tale si riferisce principalmente alla parte minerale della crosta terrestre. Essa, però, deve considerare anche l'acqua, coinvolta nell'erosione delle rocce e nella formazione dei minerali, l'atmosfera e il clima, che hanno profondi effetti sulla geosfera e sullo scambio di energia e materia con essa, e i sistemi viventi, che esistono in larga misura sulla geosfera e quindi hanno significativi effetti su di essa. La scienza geologica utilizza la chimica per spiegare la natura e il comportamento dei materiali geologici, la fisica per spiegare il loro comportamento meccanico e la biologia per spiegare le mutue interazioni tra geosfera e biosfera. Anche la tecnologia moderna, per la capacità ad esempio di spostare massicce quantità di polveri e rocce, ha una profonda influenza sulla geosfera.

La parte più importante della geosfera, per la vita sulla Terra, è il suolo, formato dall'azione di erosione disintegrativa dei processi fisici, geochimica e biologici sulle rocce. Sul suolo crescono le piante e, virtualmente, tutti gli organismi terrestri dipendono da esso per la loro esistenza. La produttività del suolo è fortemente influenzata dalle condizioni ambientali e dagli eventuali inquinanti presenti.

La vita

La biologia è la scienza della vita. Essa è basata sulle specie chimiche sintetizzate biologicamente, molte delle quali esistono come grandi molecole, chiamate macromolecole. In quanto esseri viventi, l'interesse ultimo degli uomini nei confronti del loro ambiente è la sua interazione con la vita. Perciò la biologia è una componente chiave della scienza e della chimica dell'ambiente.

Studiare la biologia dal punto di vista delle cellule e delle macromolecole significa considerarla a livello microscopico. All'altro lato della scala, gli scienziati dell'ambiente possono guardare alla biosfera dal punto di vista delle popolazioni delle diverse specie, che interagiscono l'una con l'altra in una comunità biologica. Come già discusso brevemente, l'ecologia è lo studio dei fattori ambientali che influiscono sugli organismi e del modo in cui gli organismi interagiscono con questi fattori e tra di loro.

La tecnologia

La tecnologia tratta dei modi in cui gli uomini lavorano con i materiali e l'energia. Nell'era moderna la tecnologia è, fondamentalmente, il prodotto dell'ingegneria, basata su principi scientifici. Questa scienza riguarda la scoperta, la spiegazione e lo sviluppo di teorie che si riferiscono ai correlati fenomeni naturali che riguardano l'energia, la materia, il tempo e lo spazio. L'ingegneria fornisce programmi e mezzi per raggiungere obiettivi pratici e specifici, basandosi sui principi fondamentali della scienza. La tecnologia utilizza questi programmi per ottenere gli obiettivi desiderati.

È essenziale considerare tecnologia, ingegneria ed attività industriali nello studio della scienza dell'ambiente, a causa della loro enorme influenza su di esso. Gli uomini useranno la tecnologia per procurarsi cibo, difesa e beni di cui hanno bisogno per il loro benessere e la loro sopravvivenza. La sfida è adoperare la tecnologia tenendo conto dell'ambiente e dell'ecologia, in modo da trarne reciproco vantaggio, piuttosto che danno.

La tecnologia, applicata correttamente, può risultare enormemente positiva per la salvaguardia dell'ambiente. La più scontata delle sue applicazioni è il controllo dell'inquinamento dell'acqua e dell'aria. Poiché le misure effettuate alla fine di un processo ("end of pipe") hanno lo scopo di controllare l'inquinamento prodotto nell'aria e nell'acqua, sarebbe meglio utilizzare la tecnologia per il controllo del processo produttivo mentre questo si svolge, in modo da prevenire la formazione degli inquinanti.

La tecnologia dovrà essere sempre più utilizzata per sviluppare processi altamente efficienti di conversione di energia, di sfruttamento di risorse energetiche rinnovabili e di conversione di materiali grezzi in prodotti finiti, con la minima generazione di rifiuti pericolosi come sottoprodotti. Nel settore dei trasporti l'applicazione corretta della tecnologia, in aree quali il trasporto su treni ad alta velocità, può aumentare enormemente la rapidità, l'efficienza energetica e la sicurezza dei mezzi per lo sviluppo sostenibile.