Ecologia Applicata, prof. Galli

Atmosfera e inquinamento

Inquinamento: introduzione nell’ambiente di sostanze che causano pericoli all’ecosistema. L’inquinamento può anche essere costituito da energia (inquinamento luminoso, sonoro…). L’introduzione di specie aliene è un altro tipo di inquinamento.

L’atmosfera è un involucro gassoso spesso circa 500 km, i primi 16 km contengono i 9/10 della sua massa totale. La sua densità è:

• 31,25 kg/m³ a livello del mare
• 30,6 kg/m³ a 5 km
• 30,3 kg/m³ a 12 km

La composizione atmosferica è costante nei primi 80 km; la CO₂ si concentra nei primi 20 km mentre tra 20 e 50 km si trova O₃ che assorbe parte della radiazione UV. Nei primi 10 km troviamo vapore acqueo. Tra 80 e 300 km avviene la ionizzazione dell’aria mentre tra 3,500 e 20,000 km si trovano le fasce di Van Allen.

Suddivisione atmosferica

Troposfera: dal suolo a circa 15 km. La temperatura diminuisce circa di 6,5°C/km. Tale diminuzione è legata al fatto che il calore trasferito dalla terra all’atmosfera decresce via via che ci si allontana dal suolo.

Stratosfera: da 15 a 30 km. La temperatura resta costante.

Ozonosfera: da 30 a 60 km. La temperatura aumenta con la quota a causa dell’assorbimento della radiazione UV.

Mesosfera: da 60 a 85 km. La temperatura diminuisce con la quota.

Termosfera: oltre gli 85 km. La temperatura tende ad aumentare.

Tipi di inquinanti

Inquinanti I: sono rilasciati direttamente dalla fonte nell’ambiente.

Inquinanti II: vengono convertiti in sostanze nocive successivamente al loro rilascio in atmosfera.

Effetto serra

È provocato fondamentalmente dalla CO₂ (0,03%) ed è uno dei principali problemi atmosferici. I livelli di CO₂ oscillano stagionalmente. Oltre alla anidride carbonica, l’effetto serra è dato da metano, clorofluorocarbonio (CFC) e l’ossido nitroso. La CO₂ è la forma predominante degli ossidi di carbonio. Il CFC ora è stato tolto dai prodotti commerciali.

L’effetto serra scalda le acque oceaniche provocando la morte della barriera corallina. Tra 22°C e 28°C il reef è in buona salute, oltre i 32°C si ha il coral bleaching e quindi la morte dei coralli; questo succede nei primi strati di acqua. Una possibile soluzione a questo problema è lo spostamento di acqua fredda dalle profondità marine verso il reef per ristabilire le corrette condizioni di temperatura. Questa opzione è praticabile alle Maldive poiché le isole sono ambienti circoscritti. In Australia è impossibile mettere in atto questa procedura perché la barriera corallina si estende per centinaia di km.

Il carotaggio dei ghiacciai serve per studiare la composizione dell’atmosfera del passato.

Metodi riduzione CO₂: ci sono dei funghi e batteri nel suolo in grado di metabolizzare la CO₂. Le marmitte catalitiche invece trasformano la CO in CO₂. Per combattere l’effetto serra si possono accumulare gli ossidi di carbonio in cavità sotterranee ma l’alto costo rende questa pratica non efficiente.

Impatto dei CFC

CFC (CFCl₃): questo composto assottiglia lo strato di ozono aumentando la radiazione UV che colpisce il suolo. Il maggior numero di raggi UV provoca un aumento dei tumori della pelle.

Reazioni chimiche

Reazioni che consumano ozono producendo ossigeno molecolare:

• CFCl₃ → CFCl₂ + Cl
• -O₃ → O₂ + O
• Cl + O₃ → ClO + O₂
• -ClO + O → Cl + O₂

Reazioni interferenza (aumento quantitativo di ozono):

• ClO + NO → Cl + NO₂
• -NO₂ → NO + O₂
• -O + O → O₂ + O

Ozono: l’ozono prodotto dallo smog è tossico e danneggia i prodotti di gomma.

Composti dello zolfo

Sono composti di diversa origine:

• Antropici: combustibili fossili (SO_x). Nella benzina ci sono composti dello zolfo la cui forma principale è SO₂. Esso proviene inoltre dalla depurazione del gas naturale (desolforazione) e dagli scarichi industriali.
• Naturali: il dimetilsolfuro è liberato dalle alghe marine poiché esse lo conservano nei vacuoli per aumentare la turgidità della cellula. Questo composto dagli oceani si libera in atmosfera e funziona come aggregante del vapore acqueo. Lo zolfo è liberato dalle eruzioni vulcaniche ed è anche rilasciato dall’azione erosiva del vento nelle zone aride. Lo zolfo di origine naturale si trova di solito come H₂S.

In atmosfera, in fase acquosa: SO₂ + H₂O → H₂SO₄. L’acido solforico può provocare l’acidificazione delle piogge e di conseguenza dei laghi. I laghi del nord Europa essendo privi di carbonati (CaCO₃) sono molto soggetti all’acidificazione delle acque. Naturalmente un lago ha pH di circa 6,5 ma in presenza di pioggia acida può scendere fino a 4. L’acido solforico è in grado di reagire con le statue trasformandole in gesso. Le piante colpite da pioggia acida vanno in necrosi poiché la cuticola delle foglie viene consumata dall’acido. La presenza di zolfo è la seconda causa di morte per malattie polmonari dovute all’inquinamento dell’aria, SO₂ è pericoloso soprattutto per le persone asmatiche.

Regolamentazioni sullo zolfo: cercare di limitare la presenza di zolfo nelle emissioni gassose per salvaguardare la salute umana.

Composti dell’azoto

I principali inquinanti sono NO, N₂O, NO_x. L’azoto è un componente fondamentale degli aminoacidi e quindi degradando combustibili fossili si degradano i gruppi -NH₂ liberando N. L’ossido nitroso (N₂O) è poco presente mentre la serie di NO_x entra in atmosfera per azione antropica.

Regolamentazione sull’azoto: la ARPA (Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale) è delegata alla valutazione della qualità dell’aria e acqua. Il CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) è un altro ente di regolamentazione.

Particolato

Il PM10 identifica le particelle con diametro di 10μm. Più piccola è la particella e più è dannosa. Il particolato è un mix di particelle biologiche e non (batteri, fuliggine, polvere, pollini…). Il particolato può facilitare l’aggregazione del vapore acqueo e quindi le piogge.

Piombo: uno volta si metteva il piombo nella benzina che a seguito della sua combustione si liberava in atmosfera.

Idrocarburi: presenti in atmosfera quando la benzina non brucia bene. Alcune zone del pianeta trasudano petrolio e questo libera idrocarburi. Il Golfo del Persico presenta naturalmente grandi quantità di petrolio. In questo golfo sono presenti numerosi coralli ibridi: questa condizione sembra dar loro un vantaggio sulle specie “pure” di corallo.

Indici di qualità

Ci sono indici sia chimici che fisici. IAP (Index of Atmospheric Purity): utilizza i licheni come strumento per valutare la qualità dell’aria. Si utilizzano licheni epifiti in quanto le scorze d’albero, contrariamente ai substrati litici, assicurano substrati geneticamente omogenei per composizione chimica. Questo metodo non è applicabile in aree con pochi alberi, in aree inquinate da gas fitotossici e non permette di stabilire una relazione univoca tra concentrazione di inquinanti e deposizioni di metalli. I principali vantaggi sono la rapidità della misurazione a bassi costi, la possibilità di monitorare su lunghi periodi l’efficacia delle misure di precauzione introdotte, la possibilità di valutare i trends temporali e la possibilità di individuazione delle principali aree a rischio.

• Strategia di campionamento: si suddivide il territorio di OGU (Operational Geographic Unit) di dimensioni 9x9 (m). Le stazioni di campionamento vanno individuate all’intersezione dei punti di tali reticoli. Se all’interno della stazione non ci sono alberi idonei ci si muove 1 km a N e successivamente sempre con spostamenti di 1 km in senso orario (N-E-S-O) fino a trovare la prima stazione di campionamento idonea.
• Campionamento: il campionamento va effettuato su superfici piane (non decorticate) di alberi con tronco inclinato al massimo di 10° e con assenza di segni evidenti di disturbo. Si utilizza un reticolo di 30x50 (cm) suddiviso in dieci maglie. Il reticolo si posiziona su ogni albero a circa 1 m di altezza dal suolo. Per ciascuna specie lichenica si rileva la frequenza di presenza nelle maglie (in quanti rettangoli compare almeno una volta). La IAP si calcola dunque come: 1/10 ∑(frequenza presenza).

Laghi: l’eutrofizzazione delle acque

Il fosforo è il principale inquinante delle acque. L’eutrofizzazione favorisce la crescita algale. Ci sono diverse classificazioni per un ambiente:

• Eutrofico: ricco di sostanze nutrienti
• Oligotrofico: povero di sostanze nutrienti
• Mesotrofico
• Distrofico: l’abbondanza relativa dei diversi nutrienti è diversa.

Fioritura algale: Diatomee Temperatura e luce variano di pari passo durante l’anno. Gli organismi vegetali hanno picchi di proliferazione in primavera e fine estate mentre i nutrienti ricchi di fosforo sono alti in inverno e a fine autunno. In inverno la poca luce e le basse temperature non favoriscono la proliferazione del fitoplancton. Le diatomee sono le prime alghe in grado di crescere (primavera) poiché sfruttano il tanto fosforo presente.

Stratificazione delle acque: in estate le acque superficiali sono molto più calde rispetto all’acqua sottostante. Se l’acqua è stratificata le alghe che producono ossigeno lo rilasciano solo in superficie perché non c’è rimescolamento. In profondità si crea dunque una situazione di anossia. In estate dunque le diatomee muoiono a causa dell’anossia e in questo modo liberano nutrienti nell’ambiente. In autunno la temperatura del lago è più omogenea e quindi c’è rimescolamento delle acque che favorisce la proliferazione delle alghe azzurre. In alcuni laghi si sono posizionate delle pompe sul fondale per favorire l’ossigenazione delle acque. In primavera l’acqua è a circa 4°C mentre in estate la superficie può arrivare anche a 20°C. In inverno sulla superficie può formarsi uno strato di ghiaccio.

Stratificazione di un lago

• Epilimnio: strato superficiale che in estate raggiunge temperature maggiori rispetto agli strati sottostanti con conseguente diminuzione della densità dell’acqua. Questo strato è dove avviene la maggior parte della produzione primaria del lago.
• Metalimnio: zona di transizione tra lo strato rimescolato di superficie e lo strato di acqua profonda.
• Ipolimnio: regione della massa d’acqua profonda e fredda.

L’eutrofizzazione è un fenomeno naturale che avviene col progressivo accumulo di sedimenti nel lago. L’eutrofizzazione è un problema mondiale. Solitamente più grande è l’epilimnio e minore è il rischio di eutrofizzazione. L’eutrofizzazione dipende da profondità e trasparenza dell’acqua. Inoltre, il rapporto epilimnio/ipolimnio è importante perché nel caso in cui l’epilimnio sia molto meno spesso dell’ipolimnio si ha un forte rischio di eutrofizzazione.

Disco del Secchi: si immerge il disco nel lago e si vede a che profondità sparisce. Poi lo si ripesca e si misura a che profondità riappare alla vista. La media tra queste due profondità è la trasparenza del lago. 1 g di fosforo produce 114 g di biomassa algale. Il fosforo entra nei laghi a causa dell’azione antropica.

B.O.D. (Biochemical Oxygen Demand)

Misura la richiesta biologica di ossigeno, ovvero la quantità di ossigeno consumato in mg/l, durante alcuni processi di ossidazione di sostanza organica in 5 giorni. Si determina l’O₂ disciolto nei campioni d’acqua in esame prima e dopo un periodo di incubazione al buio, a 20°C, per 5 giorni in presenza di una data flora batterica. Quindi il valore del BOD₅ espresso in mg/l di ossigeno è determinato come differenza tra i contenuti di O₂ nei due campioni, prima e dopo il periodo di incubazione. L’analisi del BOD₅ indica il contenuto di sostanza organica biodegradabile, presente negli scarichi idrici, espresso in termini di quantità di ossigeno necessario alla degradazione da parte di microrganismi. Il parametro rappresenta un indicatore del potenziale di riduzione dell’ossigeno disciolto nei corpi idrici ricettori degli scarichi con possibili effetti ambientali negativi.

C.O.D. (Chemical Oxygen Demand)

Il COD misura la quantità di ossigeno utilizzata per l’ossidazione di sostanze organiche e inorganiche contenute in un campione d’acqua a seguito di trattamento con composti a forte potere ossidante. Si misura come la richiesta chimica di ossigeno consumato per l’ossidazione delle sostanze organiche e inorganiche in un campione d’acqua; si misura in mg/l. Il COD ci da un’indicazione del contenuto totale delle sostanze organiche ed inorganiche ossidabili e quindi della contaminazione antropica. Questo parametro, come il BOD₅, viene principalmente usato per la stima del contenuto organico e quindi del potenziale livello di inquinamento delle acque naturali e di scarico. Un alto valore di COD di uno scarico comporta una riduzione dell’ossigeno disciolto nel corpo idrico ricettore e quindi una riduzione di capacità di autodepurazione e di sostenere forme di vita.

Di 1,8 g di fosforo, 0,5 non sono biodisponibili. Quindi 1,3 g di fosforo originano 150 g di alghe. Esse poi nell’ipolimnio vengono degradate utilizzando 187 g di ossigeno. La morte delle alghe provoca comunque un rilascio di fosforo nelle acque. In condizioni di anossia il fosforo non biodisponibile torna in soluzione ragendo con H₂S.

Per ridurre le emissioni di fosforo è difficile intervenire sul suolo ed atmosfera. Interventi efficaci sono sul controllo del contenuto dei vari prodotti per l’agricoltura e sul controllo degli scarichi industriali e della zootecnia.

Grafico di Wollenweider

Questo grafico è su scala logaritmica e ogni punto del grafico è un lago studiato. Di ogni lago è nota la sua condizione di eutrofia. Il tempo di ricambio delle acque dipende dalle dimensioni di emissario ed immissario e soprattutto dalla stratificazione delle acque. I laghi eutrofizzati stanno sopra la prima curva, quelli oligotrofi stanno invece sotto la seconda curva.

In base alla quantità di clorofilla, fosforo o trasparenza misurata, traccio la verticale e leggo sulla curva intersecata la probabilità che il lago studiato presenti una determinata condizione di trofia. Le fonti controllabili sono quelle in cui l’uomo è in grado di intervenire, le fonti incontrollabili no.

Meccanismi che portano all’eutrofizzazione

1. L’eccesso di nutrienti porta alla crescita di una massa consistente di alghe.
2. La biomassa non utilizzata dai consumatori viene degradata e ritrasformata in sostanze minerali.
3. La degradazione avviene con il consumo di ossigeno disciolto in acqua.
4. Si raggiunge una situazione di anossia sul fondo del lago.
5. In condizioni anossiche la catena del detrito porta alla formazione di sostanze tossiche a base di ammoniaca e zolfo.
6. In anaerobiosi si ha la liberazione del fosforo dai sedimenti.

Per ridurre l’eutrofizzazione si possono ridurre i carichi localizzati (fogne), i carichi diffusi (boschi, prati) e i carichi interni.

Carichi localizzati

Si trattiene il fosforo con i depuratori:

1. Intorno al lago si costruisce una rete di collettori di fognatura che sfociano in un grosso depuratore.
2. Installare piccoli depuratori in diverse aree. Questo sistema previene le perdite in caso di rottura di un depuratore ma l’installazione di diverse stazioni comporta costi maggiori.

Carichi diffusi

I proprietari terrieri tendono a conservare il fosforo per non sprecare soldi.

• Raccogliere le prime acque di pioggia e convogliarle nella fognatura.
• Costruire bacini di in...