Appunti presi a lezione di metodologia ecologia applicata

Metodologie di ecologia

Acqua fossile e alternative tecnologiche

Acqua fossile → giacimenti di acqua, risorsa in esaurimento. Alternativa tecnologica: costruzione di dighe per far fronte all’aumento della popolazione e quindi all’aumento di richiesta. Comporta scompensi ambientali tra cui la ricerca di un posto valido per la costruzione, comportando una mobilitazione della terra. Comporta anche il cambiamento delle condizioni idrologiche, sia in fasi di costruzione sia in fasi post messa in opera. Le dighe comportano la formazione di un grande lago. L’ambiente passa a acque lentiche.

Si deve inoltre garantire il passaggio della fauna: pesci? Isolamento. Possono esserci delle pompe idrauliche che sollevano porzioni di acqua per lo spostamento di pesci. Depauperamento delle risorse idriche → Si deve anche contare l’apporto dell’inquinamento per la costruzione e mantenimento delle opere artificiali.

Alterazione delle condizioni del suolo

La densità media della popolazione è 48 abitanti ogni Km quadro. Questo comporta un problema a livello di sostenibilità. È stimato che nei paesi industrializzati, ogni abitante avrebbe bisogno di 5 ettari di suolo per garantire il sostentamento e lo smaltimento dei rifiuti. Ogni uomo avrebbe a disposizione 2 ettari, nella realtà. Ma di questi due ettari, l’80% è acqua. Il 20%, la metà è di scarsa qualità. Rimane solo 0,4 ettari di suolo pro capite per garantire il sostentamento. Il tenore di vita ne prevede 5. Le condizioni stanno quindi cambiando drasticamente. A fronte di una spiccata crescita demografica vi è un aumento dell’occupazione del territorio, un aumento del consumo e produzione di rifiuti.

Atmosfera e suoi ruoli

L’atmosfera è l’involucro gassoso che ricopre il pianeta. È un miscuglio tra gas e vapore acqueo, seppur in concentrazioni molto basse, è fondamentale perché regola il ciclo idrologico ed è responsabile dell’effetto serra. Il ruolo consiste nell’agire da filtro che permette la vita, protegge dalle radiazioni solari. Trasmette radiazioni vicino all’UV e onde radio, mantiene un bilancio termico. Senza effetto serra le temperature sarebbero diverse. Tutti i gas presenti sono fonte di CO2 per fotosintesi e O2 per la respirazione. La CO2 gioca un ruolo importante anche nel bilancio termico, in quanto quando si alterano i livelli si ha una modifica sull’effetto serra. Partecipa al ciclo idrogeologico. È il mezzo che veicola il trasferimento delle precipitazioni acquose.

È inoltre la discarica delle specie inquinanti che possono essere sia di natura antropica sia naturale. In termini di massa la maggior parte dell’atmosfera è all’interno del 30esimo km. È suddivisa in esosfera, termosfera, mesosfera, stratosfera e troposfera. La divisione è data dalle temperature diverse all’interno. Le dinamiche che avvengono all’interno sono differenti, ogni sfera viene divisa da una pausa.

Caratteristiche della troposfera e stratosfera

La troposfera varia tra 0-20km, lo spessore non è costante. In troposfera la temperatura diminuisce all’aumento della quota, 0,65° ogni 100metri. Ci sono zone del pianeta in cui il gradiente è molto più accentuato. La temperatura minima registrata a livello della tropopausa è pari a -56°. Questo valore è importante perché fa sì che a livello della tropopausa ci sia un blocco che impedisce ai gas di essere persi nelle altre sfere. La bassa temperatura consente al vapore acqueo di condensare e ricadere al suolo sotto forma di precipitazione.

La stratosfera presenta una temperatura che tende ad aumentare, dai -56° fino a -2°. L’aumento non segue un andamento lineare ma raggiunge una temperatura maggiore nell’ozonosfera. A queste altitudini viene a formarsi lo strato di ozono, il quale si forma per dissociazione di molecole di ossigeno. Queste dissociazioni sono esoergoniche e determinano un aumento della temperatura. Assottigliamento dello strato d’ozono → aumento radiazioni. L’ozono non è presente solo nella stratosfera ma anche nella troposfera, che si viene a formare dai processi inquinanti che si verificano in seguito ad attività antropiche. L’ozono “negativo” è un problema per la salute umana.

Al di sopra vi è la mesosfera, in cui la T torna a diminuire perché diminuisce l’influenza dell’ozono. Successivamente, in esosfera e termosfera, si hanno gas sempre più rarefatti. Sono preponderanti le energie che arrivano da radiazioni solari. Le temperature stimate sono sulle migliaia di gradi.

Evoluzione storica dell'atmosfera

Circa 4 miliardi di anni fa l’atmosfera era diversa. L’ozono era pressoché assente. Le concentrazioni dei gas e le temperature sono variate nel tempo. La ragione per cui si è evoluta l’atmosfera è stata quando 2,5 miliardi di anni fa c’è stata la comparsa dell’ossigeno. Essa era dipesa dalla comparsa degli organismi fotosintetici. La comparsa dell’ossigeno ha portato effetti tossici perché gli organismi non avevano mezzi di difesa. L’ossigeno è servito anche per ossidare tutta l’ammoniaca presente nell’atmosfera primordiale, formando l’azoto che è il principale componente. Inoltre, andando ad aumentare l’ossigeno, si è formato lo schermo di ozono che ha consentito la vita in acqua ma anche la conquista delle terre emerse.

Composizione dell'atmosfera e inquinamento

La composizione e la chimica dell’atmosfera è di fondamentale importanza per le interazioni ma è stata modificata ed è continuamente modificata da attività umane. I cambiamenti sono dunque dannosi per gli ambienti e gli ecosistemi. L’atmosfera può essere definita:

• Omosfera o turbosfera: composizione costante per il rimescolamento per turbolenza.
• Eterosfera: sopra il 100 km di quota, la composizione non è omogenea ma varia con la quota, più si sale più predominano le componenti leggere.

Composizione: azoto 79%, ossigeno 21%, argon, biossido di carbonio. Ci sono componenti di neon, elio, kripton e xenon. Le percentuali sono variabili perché l’inquinamento le altera. Sia in ambito locale, sia a scala globale.

Oltre ai gas in traccia ci sono molteplici molecole che contribuiscono ai processi che avvengono all’interno dell’atmosfera. Una componente importante è legata al fatto che in atmosfera non si mantengono ma reagiscono. Si trasformano e reagiscono con altre molecole perché avvengono molte reazioni catalizzate dall’energia solare. Fotochimico → smog. Tutti i gas in traccia non sono solo di origine antropica ma al contempo ci sono diverse sorgenti: sorgenti biologiche, geochimiche e atmosferiche.

Le atmosferiche sono tutte quelle che entrano e subiscono modifiche. Inquinanti che si originano in atmosfera sono di tipo fotochimico. Le sorgenti di gas biologiche possono essere per esempio produzioni di terpeni delle piante. Le piante producono composti aromatici volatili in quantità superiori rispetto all’anidride carbonica. Spesso i terpeni vengono usati come traccianti. Altro inquinante comune è il metano. I principali produttori di metano sono le mucche. Incidono maggiormente all’effetto serra, in quanto hanno un potere superiore rispetto a CO2. Altre fonti biologiche sono quelle che derivano da detritificazione.

La principale sorgente geochimica è il vulcano. Le eruzioni emettono un quantitativo notevole di gas in traccia, ossidi di zolfo e particolato atmosferico. Affiancati ai vulcani ci sono gli oceani, che emettono gas per scambio tra gas e acqua, e gli incendi.

Contaminazione e inquinamento ambientale

Contaminazione ambientale → la conseguenza di un’azione umana capace di modificare le proprietà delle condizioni o la disponibilità e la qualità delle risorse in un determinato intervallo di tempo e spazio. Inquinamento ambientale → quando si ha un danno misurabile a carico del sistema biologico, sia esso un processo biochimico, cellulare o tissutale, a carico di una popolazione o di una comunità biologica, allora la contaminazione ambientale diviene inquinamento. La contaminazione è il punto di partenza, è correlata all’inquinamento.

Inquinamento atmosferico: problematica globale che causa la morte di 7 milioni persone/anno. Ci si riferisce sia ad inquinamento outdoor che indoor. La pianura padana è una regione stagnante, nel senso che ci sono pochi venti che consentono il rimescolamento dell’aria. I contaminanti allora vengono ad accumularsi. La pianura indo-gangetica è la più inquinata a causa di combustibili fossili usati in maniera eccessiva. L’utilizzo dei combustibili ha comportato immissioni in atmosfera di particolato e ossidi di zolfo. L’inquinamento atmosferico può essere limitato con provvedimenti opportuni.

1952: manifestazione dello smog di Londra, consapevolezza delle conseguenze dell’inquinamento. 1956: UK Clean Air Act. Gli inquinanti possono essere suddivisi in primari e secondari. I primari sono quelli che vengono emessi così come sono da tubi di scappamento ecc, emissioni prodotte ed emesse dall’attività in questione. I secondari si originano in atmosfera in seguito alle reazioni tra i vari inquinanti primari.

Possono essere divisi in convenzionali, ovvero monitorati e normati da leggi nazionali, o non convenzionali, ovvero che non richiedono un monitoraggio costante. Questo perché sono in tracce e non destano una pericolosità nei confronti della salute umana. A seconda della concentrazione:

• Macroinquinanti: sostanze le cui concentrazioni sono dell’ordine dei mg/m³.
• Microinquinanti: ng/m³, idrocarburi policiclici aromatici, diossine.

La tossicità non è sempre legata alla concentrazione.

Inquinanti convenzionali: regolamentati a livello nazionale e mondiale. Sono previsti dei livelli limite di legge che non devono essere superati per prevenire ripercussioni sulla salute umana, i limiti sono differenti a seconda di chi li istituisce. I livelli per i contaminanti, stilati dall’UE, sono meno stringenti rispetto a quelli mondiali. Gli inquinanti convenzionali sono il particolato atmosferico e totale sospeso, ovvero il PM, anidride solforosa e solforica (diminuiti per le nuove politiche ambientali in ambito industriale), ossidi di azoto (sono ancora prodotti a livello mondiale, la principale fonte sono gli autoveicoli), monossido di carbonio (inquinante outdoor sebbene la maggior parte dei rischi siano legati alle morti per intossicazione, le principali fonti sono le stufe ecc), composti organici volatili (di origine naturale o chimica), idrocarburi aromatici e alifatici (derivano dai combustibili), metalli pesanti (Pb, Cd, As, Ni), ozono.

L’ozono di per sé non viene prodotto da nessuna fonte ma si forma in atmosfera per reazioni fotochimiche, in presenza di luce UV e sostanze radicaliche. È più presente nelle zone non trafficate perché interagisce con gli ossidi di azoto. Essendo tossico, anche a basse concentrazioni deve essere monitorato. Il particolato atmosferico è ricco in carbonio, su di esso si attaccano in maniera selettiva gli idrocarburi policiclici aromatici. PM agisce come un mezzo che porta all’interno del corpo dei contaminanti. Le principali conseguenze sono i cambiamenti climatici, acidificazione delle piogge, eutrofizzazione, formazione dello strato di ozono e particolato atmosferico.

Fonti di inquinamento e i loro impatti

Gli impatti dell’inquinamento sono sul clima, a livello ecosistemico e a livello della salute umana. Le principali fonti di inquinamento sono:

• Processi produttivi.
• Processi di combustione.
• Impianti fissi domestico e industriali.
• Servizi ex inceneritori (si produce inquinante atmosferico).

La combustione dei combustibili fossili produce i maggiori inquinanti industriali. Ci sono anche due sorgenti, gli incendi delle foreste e l’agricoltura, che forniscono un contributo di CO e NO. L’agricoltura fornisce CH₄ e N₂O.

Emissioni di CO₂ e loro categorie

CO₂: non rientra negli inquinanti convenzionali. È il principale responsabile del riscaldamento globale. Nonostante le concentrazioni siano basse incide pesantemente. Deriva principalmente, esclusi i processi naturali, per un 48% da elettricità e produzione di calore, 21% in industria e costruzioni e 19% in trasporti. I principali produttori sono, per tonnellate per abitante annuo, sono gli USA. Le emissioni di autoveicoli producono quantità di CO₂ controllate per norme legislative. Differenziando per categoria di carburante usato, quelle a benzina producono di più rispetto a un Diesel o metano. Il problema è che non si produce solo CO₂ ma altri contaminanti.

CO: legato alle emissioni dei veicoli, è la fonte principale di emissione antropica. Possono esserci emissioni naturali quali incendi di foreste, eruzioni vulcaniche ecc. È un inquinante outdoor ma abbastanza marginale. Diventa importante come inquinante indoor, ossia ha un’elevata affinità con l’emoglobina del sangue. Affinità superiore di 245 volte. Il monossido di carbonio crea un legame indissolubile, diminuendo la capacità del sangue di trasportare ossigeno.

Ossidi di zolfo e ossidi di azoto

Ossidi di zolfo: produzione sia a livello naturale sia antropico. Gli ossidi (SO₂ e SO₃) sono gas irritanti e diventano pericolosi quando reagiscono con acqua, soprattutto SO₃ che forma l’acido solforico, uno dei principali responsabili delle piogge acide. Ossidi di azoto: diminuzione del loro utilizzo e nell’inquinamento. Sono il primo esempio di lotta politica alle emissioni. Il primo è avvenuto nel 1905 quando a cavallo del confine con il Canada si trovava un’azienda Cominco.

Inquinamento transfrontaliero. Ogni stato sfrutta le risorse ma si assume le responsabilità dei danni su altri. Dal 1979: convenzione per → l’inquinamento transfrontaliero. Inizialmente era radicalizzata sugli ossidi zolfo, ora anche all’azoto, ai metalli pesanti e ai POP (composti organici persistenti). Vengono ricondotti a NO e NO₂ e visto che sono interconversibili, vengono riassunti in NO_x. Il più pericoloso è il diossido di azoto, un gas tossico giallo/rosso. È il principale responsabile dello smog fotochimico. Le sorgenti sono sia naturale che antropiche. Le naturali sono di minore entità. Caso Dieselgate.

Altri inquinanti e particolato atmosferico

Ammoniaca. Di origine biologica, emessa da rumine di ruminanti, microorganismi e trattamento di liquami. È prettamente di stampo agricolo e contribuisce alla neutralizzazione degli acidi e all’inquinamento acquatico. Ozono. Cattivo= tutto quello che viene a formarsi nella troposfera. Particolato atmosferico. PM_0.1 rientra in una categoria delle nanoparticelle. (0,1 μm è la soglia che definisce una nanoparticella) L’indice della sigla PM indica le dimensioni massime della particella. PM₁₀= tutte le particelle con dimensioni inferiori o uguali a 10 μm.

Le tipologie di materiali che compongono il particolato possono essere solide, gassose, di origine naturale o artificiale ecc. Esempi sono batteri, polini.. Importante è il black carbon, emesso principalmente dai motori diesel, è cancerogeno e fine, arriva a livello sanguigno. Da un punto di vista ambientale è uno dei responsabili della diminuzione dei ghiacciai. Da un punto di vista ecologico, essendo carbonio puro, porta all’unione con tutti i contaminanti; in questo modo agisce da veicolo.

Origine del particolato e sue categorie

Il particolato può essere di origine:

• Primaria: azione meccanica del vento, la concentrazione delle particelle primarie dipende dal loro tasso di emissione, trasporto, dispersione e dal tasso di rimozione dall’atmosfera. Il tasso di rimozione dipende dalla dimensione e dal peso della particella.
• Secondaria: condensazione di vapori derivati da reazioni chimiche di precursori in fase gassosa, include le reazioni di gas liberi e possono dar luogo alla formazione di nuove particelle.

Origine:

• Processi chimici: formazione di particolato secondario. La maggior parte include processi di combustione, quelli che derivano dalle combustioni (riscaldamento domestico). Il traffico veicolare contribuisce alle emissioni in aree urbane, al di fuori contribuisce in maniera più blanda.
• Fisici: possono essere sia naturali che antropici. La fonte naturale sono ad esempio i vulcani mentre antropiche la frantumazione di carbone o minerali, agricoltura. Una grossa fonte di origine fisica deriva dalle cave a cielo aperto.

Una componente importante deriva dalle sabbie Sahariane. Fa parte di particolato atmosferico fisico, sabbia, che viene trasportata ad opera del vento. Queste sabbie possono raggiungere il continente. Questo fenomeno porta una colorazione rossa del cielo e comporta peggioramento della qualità dell’aria e effetti sulla salute umana. Durante i periodi di avvezione sahariana sono stati registrati aumenti della mortalità, dovuti ad un aumento del particolato dovuti a malattie respiratorie. Altre fonti antropiche possono essere industrie, incendi, attività ricreative.

PM₁₀ e PM_2.5 sono le due principali categorie. In tutto l’anno il particolato non è costante perché cambiano le sorgenti di emissione e cambiano le condizioni ambientali in cui le particelle si formano o con cui vanno ad interagire. Cambiano le dimensioni da un punto di vista stagionale ma non varia troppo la composizione. Ci si aspetta che PM₁₀ e PM_2.5 vari la composizione in quanto le sorgenti sono diverse, in verità, essa rimane relativamente costante.

• Ioni inorganici
• Frazione carboniosa
• Materiale crostale, metalli che contribuiscono per percentuali basse
• Frazione sconosciuta (acqua)

Come si spiega allora il cambiamento stagionale? Deriva dal fatto che in inverno i nitrati per via dell’elevata umidità tendono ad aggregarsi e a creare particolato più grossolano mentre in estate tendono a rimanere in fase gassosa. Si nota infatti anche una differenza nella composizione tra estate e inverno. Il particolato generalmente è simile in ogni luogo. Una parte importante del particolato di Milano è legata ai contaminanti che si legano, ex idrocarburi, che ne aumentano la pericolosità. Il particolato atmosferico interagisce con l’apparato respiratorio in modo differente in base alle dimensioni.