Effetto serra - chimica ambientale

EFFETTO SERRA

È un fenomeno naturale senza il quale la vita come la conosciamo adesso non sarebbe possibile. Questo processo consiste in un riscaldamento del pianeta per effetto dell'azione dei Gas Serra (CO2, vapore acqueo, CH4 ecc..). L'effetto serra consiste nel ritorno a Terra della radiazione solare ad opera principalmente dei gas serra. I gas serra presenti nell'atmosfera sono in grado di trattenere parte della radiazione dell'IR termico emessa dalla Terra, favorendo la regolazione e il mantenimento della temperatura terrestre intorno ai +15°C, se ciò non avvenisse avremmo una temperatura di -18°C.

Per parlare di effetto serra dobbiamo considerare quello che è il bilancio energetico della Terra, che riceve tutta la sua Energia dal Sole. Il Sole si comporta come un corpo nero con una temperatura di 5780K, presenta uno spettro di emissione che ha un massimo intorno a circa 500nm (frequenze del verde). Non tutte le frequenze emesse dal Sole raggiungono la Terra.

poiché in parte vengono filtrate dai gas presenti in atmosfera.

• Il 50% della radiazione solare che entra nell'atmosfera raggiunge la Terra
• Il restante 50% viene:
  • assorbito (20%) da particelle sospese in atmosfera
  • riflesso (30%) da nubi, particelle in sospensione ecc.
• Il 30% dipende dal fatto che l'albedo (capacità di riflettere la luce) medio della Terra è 0.3, la capacità riflettente varia a seconda delle superfici (calotte polari, albedo del 90% hanno colore molto chiaro mentre l'asfalto minore)
• Una volta che l'energia arriva sulla Terra dovrà necessariamente essere riemessa in parte affinché la T della Terra rimanga costante. Questo avviene attraverso il fenomeno dell'irraggiamento. La Terra non è un corpo caldo come il Sole, quindi emetterà ad una lunghezza d'onda maggiore, in particolare emette nella zona dell'IR termico tra 5 e 50μm con un picco tra 10 e 13.

rilascio E=kT^4

Se volessimo fare un bilancio un po' più quantitativo, il Sole irraggia la Terra con circa 342W/m^2 di questi 342, 235 vengono assorbiti sia dall'atmosfera che dal suolo e circa 107 ritornano invece nello spazio. Se non esistesse l'effetto serra e la Terra dovesse mantenere la T costante dovrebbe riemettere circa 235W/m^2 ma considerando che esistono i gas serra in realtà la Terra deve riemettere 390W/m^2 di cui 155 verranno trattenuti dai gas serra.

I GAS SERRA sono dei gas presenti nella nostra atmosfera che sono in grado di assorbire la radiazione dell'IR termico cioè la lunghezza d'onda attraverso cui la Terra riemette verso lo spazio. Questi assorbimenti corrispondono a moti di natura vibrazionale e visto che parliamo di un IR a un'onda piuttosto lunga troveremo principalmente moti di stretching asimmetrico e di bending. (lo stretching simmetrico lo si ha per i CFC).

Tra i gas serra più importanti abbiamo:

• CO2

→ assorbe intorno a 4.5-5 con il moto di stretching asimmetrico per il bending invece assorbe acirca 15.

• VAPORE ACQUEO → assorbe tra 5.5 e 7 e dopo i 18 micron

• METANO → assorbe con delle vibrazioni di bending intorno a 7-8

Da queste frequenze emerge il fatto che esiste una finestra di fuga ovvero un'intervallo di frequenze che vada 8 a 13 micron a cui non assorbe nessuno di questi gas. Ed è quindi la finestra di radiazione che tornadirettamente nello spazio senza essere riassorbita, questo però solo nel caso dei gas serra naturali poichéinquinanti di origine antropica sono in grado di assorbire anche in questa finestra, in particolare i CFCassorbono su tutta la finestra e anche gli HFC e poi anche l'ozono troposferico e l'N2O.

Il gas più importante in termini di accelerazione dell'effetto serra è la CO2 che contribuisce per circa ¼all'effetto serra (l'acqua contribuisce per 2/3).La CO2

→ è responsabile di circa il 60% dell'accelerazione dell'effetto serra perché è il gas maggiormente emesso dalle attività antropiche. Ha una concentrazione di circa 400ppm. Deriva principalmente dalla decomposizione di materia organica. La CO2 è molto importante anche perché regola tramite i processi di retroazione positiva (Feed-back positivo) l'effetto di altri gas serra quali l'acqua, maggiore è la quantità di CO2 in atmosfera (emessa dalle attività antropiche) maggiore sarà la temperatura terrestre e di conseguenza maggiore sarà anche l'evaporazione dell'acqua. È stato osservato un aumento dell'umidità media sul nostro paese dovuto a questo aumento di evaporazione di masse di acqua. L'aumento delle temperature dovute alla CO2 porta anche allo scioglimento delle calotte polari che provoca una diminuzione dell'albedo, in quanto l'acqua liquida ha un albedo minore.

del ghiaccio. Nell'ultimo secolo la CO2 è aumentata in maniera esponenziale, l'aumento della CO2 può essere strettamente correlato con l'aumento delle T medie. Dagli anni '60 in poi possiamo contare su dati raccolti, dall'osservatorio di Mauna Loa, posto su un'isola nel Pacifico e che permette di fare rilevamenti. È un'osservatorio molto rappresentativo della composizione atmosferica infatti se confrontiamo i dati di Mauna Loa con i dati mediati su tutto il globo vediamo che sono molto simili, è molto rappresentativa perché si trova lontano da fonti di emissione, da zone abitate e industrie, trovandosi al centro del Pacifico è soggetta ad un continuo ricambio di aria. Essendo un'isola vulcanica a volte ci sono interferenze da parte delle esalazioni del vulcano ma possono essere monitorate. Per quanto riguarda i dati precedenti al '58 dobbiamo fare affidamento su dati ricavati dalle estrazioni di carote.

Dighiaccio che sono dei cilindri di ghiaccio prelevati nell'Antartide e che possono arrivare a circa 3km di lunghezza e che conservano al loro interno delle bollicine di aria rimaste intrappolate che possiamo analizzare e vedere com'era l'atmosfera migliaia di anni fa.

Per capire il contributo di ciascun gas nell'effetto serra è stato istituito un indice GWP (Global Warming Potential), si prende come riferimento la CO2 a cui si attribuisce il valore di 1 ed esprime l'efficacia dell'aumentare dell'effetto serra su un lasso di circa 100 anni.

Un aumento di anidride carbonica potrebbe causare raffreddamento della stratosfera per due ragioni:

• Viene assorbita una maggiore quantità di IR termico a una minore altitudine → ne rimane di meno per essere assorbita e riscaldare i gas della stratosfera
• Alle temperature più elevate della stratosfera, è più veloce l'emissione di energia quindi la velocità di rilascio è più alta

CO2 emette più IR termico sia in alto verso lo spazio che e in basso verso la troposfera. I pozzi della CO2 sono principalmente dalle profondità oceaniche e in questo modo viene sottratta dall'atmosfera. Tuttavia il rimescolamento delle masse d'acqua superficiali con quelle in profondità richiede tempi molto lunghi.

Vapore acqueo → altro gas serra molto importante, la sua quantità viene regolata dalla CO2. Il contributo dell'acqua nell'effetto serra è piuttosto controverso in quanto l'acqua va a formare in atmosfera le nubi il cui contributo può essere bivalente.

Nubi a bassa quota → Tendono ad aumentare l'albedo della Terra. Sono generalmente più calde, dopo aver assorbito la radiazione tendono a riemetterla (intensità di emissione va come T^4).

Nubi ad alta quota → Essendo più fredde tendono ad assorbire la radiazione senza poi riemetterla e quindi a scaldare.

CH4 → è un gas sia

Il metano è un gas serra che si trova sia in forma naturale (paludi, acquitrini, dove c'è elevata attività biologica e carenza di ossigeno dove prevalgono i processi anaerobici che liberano metano) che di origine antropica (dall'attività mineraria, dall'allevamento del bestiame che si nutrono di piante che fermentano nello stomaco producendo CH4, dalle risaie in quanto le materie organiche al suolo si decompongono in mancanza di O2). Il metano avendo quattro legami che possono vibrare ha una maggiore probabilità di assorbire la radiazione pertanto gli viene attribuito come GWP 25, ha un tempo di emivita breve 15 anni (CO2 circa un secolo). La sua concentrazione in atmosfera è cresciuta negli ultimi tempi fino ad arrivare a circa 1.8ppm. Ha dei pozzi in atmosfera perché può essere ossidato dal radicale OH•, e con Br, Cl.

Altri gas importanti sono l'N2O che ha un tempo di emivita molto lungo, ha un GWP di circa 90 volte quello del CO2, ma le sue concentrazioni sono molto basse,

deriva principalmente dall'uso di fertilizzanti. CFC e in seguito HFC utilizzati in seguito al protocollo di Montreal, sono pericolosi per l'effetto serra perché non hanno pozzi, tempi di emivita molto lunghi (i più importanti sono il Freon-11 e il Freon-12). SF6 → utilizzato nell'industria elettronica come isolante, ha un GWB di circa 24000 volte la CO2, piccole quantità. Anche il particolato svolge un ruolo importante nell'effetto serra, inizialmente fu sottostimato, il particolato scuro come ad esempio il nerofumo che deriva dalla combustione ha l'effetto di assorbire la radiazione e quindi aumentare l'effetto serra mentre l'aerosol di solfato che è molto chiaro tende a diminuire le temperature medie terrestri anche per tempi piuttosto prolungati. Nell'Artico la diminuzione dell'emissione di SO2 in Europa in seguito ad eventi di smog riducente e il contemporaneo aumento di nerofumo emesso dall'Asia haprovocato una accelerazione dell'effetto serra che è molto accelerato nell'artico e questo è visibile dallo scioglimento delle calotte polari. Primo passo di impegno comunitario verso la riduzione dell'effetto serra: SUMMIT DELLA TERRA - RIO DE JANEIRO 1992 (CONFERENZA DI RIO) Prima conferenza mondiale dei capi di Stato sull'ambiente. È un accordo ambientale internazionale non legalmente vincolante entrato in vigore nel 1994 per la stabilizzazione delle concentrazioni atmosferiche dei gas serra. Ma una normativa vincolante si ebbe solo nel '97. PROTOCOLLO DI KYOTO - KYOTO '97 Trattato internazionale riguardante il riscaldamento globale sottoscritto da più di 160 paesi. Il protocollo di Kyoto fa seguito alla convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici. È il primo accordo internazionale che stabilisce precisi obiettivi per i tagli delle emissioni di gas responsabili dell'effetto serra, del riscaldamento del

Il pianeta è minacciato dai paesi industrializzati. Il protocollo stabiliva tempi e procedure per realizzare gli obiettivi del Trattato sul cambiamento climatico. Prevedeva una riduzione di circa il 5% delle emissioni rispetto allo stan