Inquinamento atmosferico

Inquinamento atmosferico

1.1 Introduzione e generalità

L’aria (ovvero l’ossigeno) presiede in modo determinante ai processi vitali, essendo utilizzata in quantità relativamente alta rispetto ad altri elementi: in particolare, un uomo adulto consuma circa 14 kg di aria al giorno, 1.5 kg di cibo e 2 kg di acqua, ed è noto che si può sopravvivere 5 settimane senza cibo, 5 giorni senz’acqua, ma solo 5 minuti senz’aria.

Nelle nazioni industrializzate, uno dei fattori limitanti la qualità della vita è il danno provocato all’ambiente dall’inquinamento atmosferico.

Lo sviluppo industriale e la conseguente richiesta di energia, l’avvento e la proliferazione di motori a combustione interna, l’uso di materiali e prodotti chimici di sintesi, l’eccessiva urbanizzazione hanno alterato in modo preoccupante la preesistente qualità dell’aria.

Effetti climatici di una certa rilevanza si collegano all’inquinamento dell’aria, l’equilibrio ecologico del pianeta e la salute degli esseri umani in particolare ne vengono turbati pesantemente. La comunità umana ha oramai maturato la coscienza della necessità di provvedere ad eliminare le fonti di inquinamento o, almeno, a ridurle a livelli accettabili.

Fonti di inquinamento

L’equilibrio uomo-atmosfera si sarebbe rotto dopo l’anno Mille, quando ebbero inizio le prime attività metallurgiche e artigianali. In questo periodo si diede anche inizio alla distruzione, su larga scala, del patrimonio forestale della Terra, per far fronte alle richieste di notevoli e sempre crescenti quantità di energia.

Già in quell’epoca si osservarono situazioni allarmanti per la salute umana. Nel 1273 venne proibito a Londra, con decreto reale, l’uso del carbon fossile come combustibile, perché dannoso alla salute; nel 1306 un artigiano, contravventore del decreto, venne condannato a morte; nel 1355 in Boemia un decreto imperiale proibì, nell’interesse dei cittadini, il disboscamento.

Quello che è successo negli anni successivi è anche storia dei nostri giorni. L’incremento continuo della popolazione, l’intensa urbanizzazione, l’enorme sviluppo industriale hanno comportato un eccezionale consumo di combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) determinando forti emissioni di anidride carbonica, intermedi di ossidazione, ceneri, ossidi di azoto e di zolfo. Questi ultimi in particolare hanno determinato un progressivo abbassamento del pH delle piogge con l’acqua (piogge acide), che da un valore naturale di circa 5.7 si è abbassato fino a 4 e oltre. Essi infatti, reagendo atmosferica, formano acido solforico e nitrico, con danni notevoli per l’attività vegetativa delle piante, per gli ecosistemi acquatici, per la fertilità dei suoli e per la resistenza alla corrosione.

L’eccezionale sviluppo del traffico automobilistico ed il conseguente enorme uso di benzine e gasoli, ha determinato poi, tra l’altro, la dispersione di pericolose quantità di piombo, idrocarburi ed ossidi di carbonio.

Lo sviluppo tecnologico ha comportato inoltre la diffusione in atmosfera di numerosi inquinanti derivanti da particolari operazioni industriali (diossine, furani, fumi acidi, sostanze maleodoranti, metalli pesanti, ceneri,…).

Un’altra particolare fonte di inquinamento è da ricercare negli aerei supersonici, che volano ad alta quota interessando la stratosfera, e nelle comuni bombolette spray che usano come propellenti, dei composti a base di freon. Questo tipo di emissioni (idrocarburi, intermedi di ossidazione, clorofluorocarburi) interagiscono con l’ozono presente nell’atmosfera, riducendone il contenuto, tanto che si parla comunemente di “buco dell’ozono”. Il problema è di notevole rilievo perché l’ozono funge da schermo nei confronti dei raggi ultravioletti provenienti dal Sole e questi ultimi, se pervenissero al suolo senza alcun tipo di “filtraggio” potrebbero indurre mutazioni nel DNA delle cellule epiteliali degli esseri viventi.

Da anni si guarda però anche ad alcuni fenomeni naturali che, alla stregua di quelli antropogenici, vengono considerati responsabili della preoccupante diffusione di inquinanti atmosferici. Tra le possibili sorgenti naturali vengono inclusi alcuni processi di volatilizzazione a bassa temperatura, come la metilazione biologica, la sublimazione diretta della crosta terrestre, l’emissione delle piante, la vaporizzazione degli oceani. Ma è soprattutto al vulcanismo che si guarda, non solo per le alte temperature magmatiche (circa 1200°C) che possono volatilizzare elementi inquinanti (metalli pesanti, ossidi di zolfo e di azoto, acido cloridrico,…), ma soprattutto per la notevole quantità di materiale particellato disperso nell’atmosfera (circa 2·10⁸ ton/anno). Esso avvolge come un velo l’intero pianeta, riducendo la quantità di energia solare che perviene alla Terra (effetto frigorifero).

Questi fenomeni, pur rientrando nell’eccezionalità degli eventi naturali, possono ulteriormente aggravare, nei momenti di crisi, una già precaria situazione ambientale.

1.1.1 L’atmosfera

L’atmosfera è l’involucro gassoso, spesso circa 10000 km, che avvolge la Terra. A causa dell’attrazione gravitazionale, la sua densità è massima negli strati più bassi e tende a diminuire rapidamente con l’altezza; il 50% della sua massa si trova infatti nello strato sottostante i 5 km di altezza, ed il 99% sotto i 30 km.

I modi per distinguere i vari strati dell’atmosfera sono diversi e fanno riferimento ad alcune sue caratteristiche chimiche e fisiche (fig. 1.1).

Prendendo in considerazione la composizione chimica, si può distinguere in omosfera ed eterosfera: l’omosfera si estende fino a circa 90 km dalla superficie terrestre ed è caratterizzata dalla omogeneità della sua composizione, tanto da poter essere considerata, eccetto che per il suo contenuto in vapore acqueo, come un composto gassoso con proprietà chimico-fisiche ben definite (vedi tab 1.1).

La quantità di vapore acqueo presente nell’atmosfera cambia in funzione della temperatura, della pressione, della latitudine, della collocazione geografica…; la sua concentrazione comunque varia dallo 0.02% nelle regioni aride al 6% nei climi umidi. La sua presenza viene di solito espressa come umidità percentuale relativa alla saturazione che si avrebbe a quella data temperatura.

La presenza di vapore acqueo nell’atmosfera gioca un ruolo molto importante negli effetti provocati dagli inquinanti. Può agire come solvente o come catalizzatore per alcune reazioni fotochimiche e termiche nell’atmosfera, una volta condensata l’acqua può solubilizzare gas come gli ossidi di zolfo e di azoto, formando i relativi ossiacidi.

L’eterosfera rappresenta lo 0.01% dell’intera massa atmosferica. A causa delle scarse forze gravitazionali e dell’assenza di venti, essa si può ulteriormente suddividere in quattro zone. Uno strato più basso (90-200 km) ricco di azoto molecolare, uno strato successivo (200-1100 km) ricco di ossigeno, quindi una zona ricca di elio (1100-3300 km) ed infine un quarto strato più esterno ricco di idrogeno.

In base alla temperatura l’atmosfera può invece essere distinta in quattro zone (fig. 1.1).

La troposfera è il primo strato, quello esteso fino a 15 km dalla superficie terrestre; la sua temperatura diminuisce di circa 6.4°C per ogni km di altezza.

La stratosfera è lo strato successivo (15-32 km); la temperatura dapprima è stabilizzata su valori compresi tra –50 e –60 °C.

Nella mesosfera (32-80 km) la temperatura dapprima sale a circa +80°C (a circa 50 km dalla superficie terrestre), e poi rapidamente scende a -70°C.

Nella termosfera infine la temperatura aumenta indefinitamente: l’aria è molto rarefatta e le molecole e gli atomi possiedono elevata energia cinetica. Gli strati con caratteristiche intermedie, compresi tra queste quattro zone sono, rispettivamente, dal basso verso l’alto, la tropopausa, la stratopausa e la mesopausa.

In relazione ad alcune sue proprietà chimico-fisiche, l’atmosfera può anche essere distinta in chemiosfera e in ionosfera. La prima definizione si riferisce allo strato più vicino alla Terra (fino a circa 80 km) dove prevalgono le proprietà chimiche di molecole, atomi e radicali; in questa zona è presente lo strato di ozono con concentrazione massima a circa 30-50 km.

La ionosfera invece, che è lo strato successivo, contiene un gran numero di ioni (10⁴-10⁶ per ml) e ciò consente la riflessione delle onde radio.

Figura 1.1: Struttura dell’atmosfera

140 P 120 (Torr) eterosfera 100 0,0023 Termosfera mesopausa 80 omosfera 60 Mesosfera 1,0 40 stratopausa Stratosfera 20 tropopausa Troposfera 760 0 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200

Tabella 1.1: Caratteristiche e composizione dell’aria pulita, secca e prossima al livello del mare

Caratteristiche

• Peso molecolare medio 28.96
• Calore specifico a 0°C e 1 atm.
• C 0.240 kcal/kg·°C
• PC 0.171 kcal/kg·°C
• V Temperatura di congelamento -212.9 °C
• Temperatura di ebollizione ad 1 atm. -194.5 °C
• Calore di evaporazione (1 atm.) 49.05 kcal/kg
• Conducibilità termica a 20°C 0.0315 kcal/m·h·°C

Composizione

• Azoto 78.09%
• Ossigeno 20.94%
• Argon 0.93%
• Anidride carbonica 0.032%
• Altri gas 0.004%
• Neon 18 ppm
• Elio 5.2 ppm
• Metano 1.5 ppm
• Cripto 1 ppm
• Protossido di azoto 0.5 ppm
• Idrogeno 0.5 ppm
• Xeno 0.08 ppm
• Ozono 0.026 ppm
• Ammoniaca 0.01 ppm
• Anidride solforosa 0.0002 ppm

1.1.2 Tipi di inquinanti e di sorgenti

Le principali sorgenti sono determinate dall'azione antropica, anche se esiste non sono da trascurare emissioni di natura biogenica, quali eruzioni vulcaniche, incendi della vegetazione, decomposizione delle sostanze organiche, …

Esse possono essere classificate in base alla loro tipologia, come fatto ad esempio dall'EPA (Environment Protection Agency) che ne ha censito 166 tipi in base al settore di appartenenza tra i quali:

• Combustione, sia per produzione di energia (centrali termoelettriche), per riscaldamento (impianti termici) sia per autotrazione;
• Attività estrattive (estrazione minerali, metallurgia) e di raffinazione e produzione di prodotti petroliferi e gas;
• Attività industriali (impianti petrolchimici e siderurgici, chimici, cementifici, cokerie);
• Produzione di farmaceutici, processi di produzione di fibre, produzione di resine e polimeri, di composti organici e inorganici;
• Industria agroalimentare;
• Trattamento e smaltimento rifiuti;
• Settori misti (lavaggio a secco, cromature, carta…)

Tutte le sorgenti così enunciate scaricano nell'atmosfera sostanze inquinanti sotto forma di polveri o aerosol, allo stato gassoso o allo stato vapore, che possono essere classificate in base alla loro pericolosità e persistenza in atmosfera.

Il CAA (Clean Air Act, 1990) ha regolamentato due categorie principali di inquinanti:

• Il primo gruppo ("Criteria pollutants" di tipo primario e secondario) è costituito da sei inquinati: il ≤ μm), CO2, O3, PM10 (particolate matter con diametro aerodinamico 10 NOx, SO2, Pb.

L’EPA ha stabilito degli standard di qualità ambientale “NAAQS” (National Ambient Air Quality Standards) per ognuno di essi, che i vari stati sono tenuti ad osservare. Gli effetti sulla salute di tali inquinanti sono ben noti, salvo che per il PM10, per i quali si è comunque riscontrato che sono associabili ad incrementi di mortalità per livelli di concentrazione inferiori a quanto, in passato, si riteneva influissero sulla salute umana.

• Il secondo gruppo (Hazardous Air pollutants, HAP) si riferisce a sostanze tossiche e pericolose per la salute. La loro regolamentazione è più ardua, perché è difficile generalizzarne gli effetti, che sono di tipo peculiare.

Essi interferiscono con i processi vitali creando danni alla salute umana per effetti cancerogeni, danni al sistema immunitario e nervoso. Le sostanze appartenenti a questo gruppo sono per la maggior parte altamente o moderatamente reattive, subendo trasformazioni una volta in atmosfera e dando luogo direttamente o indirettamente ad inquinanti secondari. Air & Waste, 44,683 (1994)], tra i quali:

Il gruppo degli HAP comprende, secondo il CAA, 189 composti [cfr.

• Idrocarburi alifatici e ciclici saturi ed insaturi (30 specie);
• Composti aromatici (34);
• Nitroderivati organici, inclusi i nitroaromatici (49);
• Composti organici ossigenati (35);
• Pesticidi ed erbicidi (15);
• Composti inorganici, metalli inclusi (24);
• Solfati “dietil e dimetil” (2);

In Italia, il DPCM 30 del 28/3/1983, regolamentando i limiti massimi di accettabilità delle concentrazioni e di esposizione, trascurava di citare il particolato solido ed i vapori organici. Le particelle sospese venivano considerate invece nella Direttiva CEE del 15/7/1980. Gli aspetti normativi relativi alle emissioni non trascuravano le varie categorie di inquinanti ed i limiti fanno riferimento alle tipologie delle sorgenti ed alla natura degli inquinanti che le caratterizzano e sono illustrati nel seguito.

La tabella 1.2 riporta alcuni inquinanti che sono potenzialmente pericolosi, in tabella 1.3 vengono indicate varie tipologie di emissioni di particolato e la loro composizione chimica, raggruppate in base alla sorgente emittente corrispondente.

In tabella 1.4 infine vi è un accenno ad alcune proprietà degli inquinanti atmosferici facilmente riscontrabili nell'aria.

Si riportano di seguito alcune note su insetticidi, metalli e idrocarburi:

Insetticidi

Insetticidi: Sono prodotti contenenti uno o più principi attivi capaci di uccidere insetti ed animali. Inizialmente si utilizzavano sostanze inorganiche, come i cianuri (che trovano ancor oggi applicazione), alcuni derivati dell’arsenico, del fluoro e dello zolfo. Anche alcune sostanze di origine vegetale, come il piretro (ancora usato), il rotenone e i canfeni venivano impiegati.

Attualmente ha larga diffusione un gruppo di sostanze organiche di sintesi che, chimicamente, appartengono a tre grandi classi: i derivati da idrocarburi (comprendenti i clororganici, come il DDT), i derivati fosforo-organici (principalmente esteri fosforici) e gli azoto-organici (tra cui i carbammati).

La loro liposolubilità fa sì che essi, una volta pervenuti all’organismo umano, esplichino azione tossica di natura cronica ai danni del fegato, dei reni e del sistema nervoso. Il DDT è praticamente bandito dall’uso per la vastità della contaminazione osservata; gli esteri fosforici vengono preferiti per la loro scarsa stabilità chimica, che ne permette la rapida degradazione in prodotti non tossici. Tutti questi insetticidi organici agiscono sull’uomo bloccando l’acetilcolinesterasi o altri enzimi la cui inibizione è incompatibile con la vita, e tutti sono anche sospetti di azione cancerogena.

Metalli tossici

Metalli tossici: Molti metalli tossici dispersi nell’aria allo stato elementare o sotto forma di ioni, causano intossicazioni più o meno gravi. Il mercurio è uno dei più pericolosi sia per la grande quantità dispersa nell’aria dalla combustione di combustibili fossili (circa 3000 tonnellate annue), sia per la sua notevole tensione di vapore: si calcola che un ambiente saturo, alla temperatura di 15°C, ne contenga 15mg circa; questa quantità è sufficiente a procurare intossicazioni croniche che si manifestano con stomatite e diarrea. Il fegato è l’organo bersaglio di questo elemento.

Il piombo è uno dei metalli più diffusi dalla moderna tecnologia (coloranti, accumulatori, ceramiche, benzina “rossa”). L’avvelenamento cronico da piombo (saturnismo) è una delle intossicazioni più studiate in letteratura. I sintomi sono coliche, stipsi, anemia, gastralgia, encefalopatia e paralisi progressiva, che inizia dalle dita e prosegue fino a colpire gli arti e le corde vocali.

Anche il cadmio, presente nelle fonderie e nelle industrie galvanotecniche, è molto tossico, così come il cromo ed il selenio, utilizzati in metallurgia, l’antimonio usato in tipografia, la polvere di silice (quarzo, amianto, asbesto) che è causa di fibrosi polmonare cronica (silicosi) con decadimento in tubercolosi.

Idrocarburi

Idrocarburi: Tra gli idrocarburi più diffusamente riscontrati nelle atmosfere inquinate si ricordano la formaldeide, l’acroleina, il benzene, il toluene e gli xileni. I primi due producono effetti irritanti agli occhi e alle vie respiratorie, mentre i derivati aromatici interferiscono con la formazione dei globuli rossi e inducono quindi leucemia. Il benzene in particolare procura alterazione cromosomica.

Tabella 1.2: Inquinanti atmosferici potenzialmente pericolosi

Tabella 1.2: Inquinanti atmosferici potenzialmente pericolosi [a] (ppt) [b] Concentrazione media Nome chimico Formula chimica Tossicità

• Alometani CH Cl BM 788 - Metilcloruro 3
• CH Br BM 141 - Metilbromuro 3
• CH I SC, BM 2.7 - Metilioduro 3
• CH Cl - Cloruro di metilene BM 978 2
• CHCl - Cloroformio SC, BM 346 3
• CCl SC, NBM 221 - Tetracloruro di carbonio 4
• Aloetani e alopropani C H Cl - 100 - Cloruro di etilene 2 3
• CH ClCH Cl SC, BM 558 - 1,2-Dicloroetano 2 2
• CH BrCH Br SC 32 - 1,2-Dibromoetano 2 2
• CH CCl - 1,1,1-Tricloroetano debole BM 5123 3
• CH ClCHCl - 1,1,2-Tricloroetano SC, NBM 292 2
• CHCl CHCl - 1,1,2,2-Tetracloroetano SC, BM 102 2
• CH ClCHClCH - 1,2-Dicloropropano BM 602 3
• Cloroalcani =CH CCl SC, BM 19 - Cloruro di vinile 2 2
• =CHCl CCl SC, BM 143 - Tricloroetilene 2
• =CCl CCl SC 401 - Tetracloroetilene 2 2
• =ClCH CH CH