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Una questione di chimica

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La chimica della nostra atmosfera è complessa. L'atmosfera contiene strati con diversa densità e composizione chimica. Abbiamo parlato con il professor David Fowler (Centro per l'Ecologia e l’Idrologia - Consiglio per la Ricerca sull'Ambiente Naturale del Regno Unito), degli inquinanti atmosferici e dei processi chimici nella nostra atmosfera che hanno un impatto sulla nostra salute e l'ambiente.
ImaginAIR: Cicatrici nel cielo

ImaginAIR: Cicatrici nel cielo  Image © Greta De Metsenaere

Tutti i gas sono importanti per l'ambiente?

Molti dei gas presenti nell'atmosfera non sono particolarmente importanti in termini chimici. Alcuni gas traccia come l'anidride carbonica e il protossido d'azoto non reagiscono prontamente nell'atmosfera e per tale motivo sono classificati come gas a lunga vita. Anche l'elemento principale dell'aria, l'azoto, è per lo più inerte nell'atmosfera. I gas traccia a lunga vita sono presenti grosso modo nelle stesse concentrazioni in tutto il mondo. Se prendete dei campioni nell'emisfero settentrionale e in quello meridionale non troverete grosse differenze in termini di presenza di tali gas nell'atmosfera.

Tuttavia, le concentrazioni di altri gas quali l'anidride solforosa, l'ammoniaca e gli ossidanti sensibili alla luce solare come l'ozono, sono molto più variabili. Questi gas rappresentano una minaccia per l'ambiente e la salute umana e poiché reagiscono molto velocemente nell'atmosfera non rimangono a lungo nella loro forma originale. Reagiscono velocemente per formare altri composti o vengono eliminati quando si depositano sul terreno e vengono chiamati gas a vita breve. Sono quindi presenti vicino ai luoghi in cui sono stati emessi o si sono formati per reazione. Le immagini del telerilevamento satellitare ci presentano i punti di maggior concentrazione di tali gas a vita breve in alcune parti del mondo, solitamente nelle zone industrializzate.

Come questi gas a vita breve possono creare problemi per la qualità dell'aria e l'ambiente?

Molti di questi gas a vita breve sono tossici per la salute umana e la vegetazione. Inoltre si trasformano rapidamente nell'atmosfera in altre sostanze inquinanti, alcuni per l'azione della luce solare. L'energia del sole è in grado di scindere molti di questi gas reattivi a vita breve in nuovi composti chimici. Il biossido di azoto è un buon esempio. Il biossido di azoto è prodotto principalmente dalla combustione di carburante, sia nelle autovetture a benzina che nelle centrali elettriche a carbone o gas. Quando il biossido di azoto è esposto alla luce solare, si scinde in due nuovi composti chimici: l'ossido d'azoto e quello che i chimici chiamano ossigeno atomico. L'ossigeno atomico è semplicemente un singolo atomo di ossigeno. L'ossigeno atomico reagisce con l'ossigeno molecolare (due atomi di ossigeno combinati in molecole di O2) per formare l'ozono (O3), che è tossico per gli ecosistemi e la salute umana e rappresenta uno degli inquinanti più importanti in tutti i paesi industrializzati.

Ma negli anni Ottanta non avevamo bisogno dell'ozono per proteggerci dalle eccessive radiazioni solari?

Questo è corretto. Ma l'ozono che costituisce lo strato di ozono si trova nella stratosfera ad altitudini comprese tra 10 e 50 chilometri dalla superficie terrestre dove ci protegge dalle radiazioni UV. Diversamente l’ozono presente a livelli più bassi – comunemente chiamato ozono a livello del suolo – rappresenta invece una minaccia per la salute umana, le colture e la vegetazione sensibile.

L'ozono è un potente ossidante. Entra nelle piante attraverso gli stomi, piccoli pori posti sulla pagina fogliare. Viene assorbito dalle piante e genera radicali liberi — molecole instabili che danneggiano membrane e proteine. Le piante possiedono meccanismi sofisticati per difendersi dai radicali liberi. Ma se una pianta deve destinare una parte dell'energia che ricava dalla luce solare e dalla fotosintesi per riparare i danni cellulari provocati dai radicali liberi avrà meno energia per crescere. Così, quando le colture sono esposte all'ozono sono meno produttive. In Europa, Nord America e Asia la resa dei raccolti agricoli è ridotta dall'ozono.

La chimica dell'ozono negli esseri umani è abbastanza simile alla chimica dell'ozono nelle piante. Ma, invece di entrare attraverso gli stomi presenti sulla superficie fogliare, l'ozono viene assorbito attraverso la respirazione. Una volta incamerato dai polmoni genera radicali liberi all'interno dei tessuti polmonari danneggiandone la funzionalità. Le persone più a rischio in presenza di ozono sono quelle con una respirazione indebolita. Se si considerano le statistiche, i periodi in cui si registrano alti tassi di ozono presentano un aumento del tasso di mortalità giornaliero per gli esseri umani.

Dato che questi gas sono a vita breve, un drastico taglio nelle emissioni di biossido di azoto non dovrebbe portare a una rapida diminuzione dei livelli di ozono?

In linea di principio, sì. Potremmo tagliare le emissioni e i livelli di ozono inizierebbero a diminuire. Ma l'ozono si crea sia molto vicino alla superficie terrestre che fino ad un'altezza di circa 10 chilometri. Resterebbe comunque un bel po' di ozono ancora presente ad alta quota. Se cessassimo completamente di emetterlo ci vorrebbe più o meno un mese per ritornare a registrare livelli naturali di ozono.

Ma anche se l'Europa intraprendesse tale azione sulle emissioni, ciò non ridurrebbe realmente la nostra esposizione all'ozono. Parte dell'ozono che entra in Europa è generato da emissioni europee. Ma l'Europa è anche esposta all'ozono proveniente da Cina, India e Nord America. Lo stesso biossido di azoto è un gas a vita breve, ma l'ozono che genera può durare più a lungo e quindi avere il tempo di essere trasportato dal vento in altre parti del pianeta. Una decisione unilaterale dell'UE ridurrebbe alcuni dei picchi di produzione di ozono in Europa, ma fornirebbe solo un piccolo contributo al contesto globale, perché l'Europa è solo uno dei tanti contribuenti.

L'Europa, il Nord America, la Cina, l'India e il Giappone registrano tutti problemi legati all'ozono. Anche i paesi in via di rapida industrializzazione come il Brasile (dove biomasse bruciate e veicoli emettono gas precursori dell'ozono) registrano problemi legati all'ozono. Le zone più pulite del mondo in termini di produzione di ozono sono le remote aree oceaniche.

ImaginAIR: Air and health

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

L'ozono è l'unica fonte di preoccupazione?

Gli aerosol rappresentano l'altra sostanza inquinante principale e sono più importanti dell'ozono. Gli aerosol in questa accezione non sono ciò che i consumatori di solito pensano, cioè deodoranti e spray per mobili che possono essere comprati nei supermercati. Per i chimici gli aerosol sono piccole particelle nell'atmosfera chiamate anche particolato (PM). Possono essere solide o liquide e molte di loro si trasformano in goccioline nell'aria umida per tornare ad essere particelle solide quando l'aria si secca. Gli aerosol sono associati ad un aumento della  mortalità umana e le persone più a rischio sono quelle con problemi respiratori. Il particolato presente nell'atmosfera causa effetti sulla salute più gravi dell'ozono.

Molte delle sostanze inquinanti create dalle attività umane sono emesse sotto forma di gas. Ad esempio lo zolfo viene di solito emesso sotto forma di anidride solforosa (SO2) mentre l'azoto come biossido di azoto (NO2) e/o ammoniaca (NH3). Una volta nell'atmosfera questi gas vengono trasformati in particelle. Questo processo trasforma l'anidride solforosa in particelle di solfato che non sono più grandi di una frazione di micron.

Se c'è abbastanza ammoniaca nell'aria allora il solfato reagisce e diventa solfato ammonico. Considerando l'aria in Europa 50 anni fa, il solfato ammonico ne rappresentava una componente davvero dominante. Fortunatamente abbiamo ridotto di molto le emissioni di zolfo in Europa — di circa il 90 % dagli anni settanta.

Ma anche se abbiamo ridotto le emissioni di zolfo, non abbiamo invece ridotto nemmeno lontanamente le emissioni di ammoniaca nella stessa misura. Ciò significa che l'ammoniaca nell'atmosfera reagisce con altre sostanze. Ad esempio, l'NO2 nell'atmosfera si trasforma in acido nitrico, e questo reagisce a sua volta con l'ammoniaca per dare nitrato ammonico.

Il nitrato ammonico è molto volatile. Più in alto nell'atmosfera il nitrato ammonico può essere presente in forma di particolato o goccioline, ma in una giornata calda e vicino alla superficie, il nitrato ammonico si scinde in acido nitrico e ammoniaca, ed entrambi si depositano sulla superficie terrestre molto rapidamente.

Cosa succede se l'acido nitrico si deposita sulla superficie terrestre?

L'acido nitrico fornisce una quantità aggiuntiva di azoto alla superficie terrestre e agisce di fatto come fertilizzante per le nostre piante. Stiamo così fertilizzando l'ambiente naturale dell'Europa dall'atmosfera nello stesso modo in cui gli agricoltori fertilizzano i terreni coltivabili. L'azoto aggiuntivo che fertilizza il paesaggio naturale ha come risultato l'acidificazione e comporta maggiori emissioni di protossido d'azoto ma nello stesso tempo incrementa la crescita delle foreste e quindi rappresenta sia una minaccia che un vantaggio. L'effetto più rilevante dell'azoto che si deposita sul paesaggio naturale è la fornitura di nutrienti supplementari agli ecosistemi. Di conseguenza, le piante affamate di azoto crescono molto velocemente e prosperano a danno delle specie che crescono più lentamente. Ciò porta a una perdita di diverse specie specialiste, le quali si sono adattate a crescere in un ambiente in cui l’azoto rappresenta un fattore limitante. Possiamo già notare un cambiamento nella biodiversità della flora in Europa quale risultato di questa eccessiva fertilizzazione del continente veicolata dall’atmosfera.

ImaginAIR: Air and health (flower)

(c) Cesarino Leoni, ImaginAIR/EEA

"Ciascuno di noi cerca di creare nel nostro ambiente le condizioni ottimali per il nostro benessere. La qualità dell'aria che respiriamo ha effetti considerevoli sulle nostre vite e il nostro benessere."
Cesarino Leoni, Italia

Ci siamo occupati delle emissioni di zolfo e dello strato di ozono. Perché non abbiamo affrontato il problema dell'ammoniaca?

Le emissioni di ammoniaca provengono dal settore agricolo e in particolare dal settore caseario. Urine e letami di mucche e pecore nei campi rilasciano emissioni di ammoniaca nell'atmosfera, un composto molto reattivo che in breve si deposita nel paesaggio. Forma inoltre il nitrato ammonico e contribuisce in maniera significativa alla presenza di particolato nell'atmosfera e ai problemi alla salute umana ad esso associati. La maggior parte dell'ammoniaca che viene emessa in Europa si deposita in Europa. Ci dovrebbe essere una maggiore volontà politica di introdurre misure di controllo volte a ridurre le emissioni di ammoniaca.

È interessante notare come nel caso dello zolfo ci sia stata una chiara e ferma volontà politica di risolvere il problema. Penso che ciò sia stato in parte dovuto ad un obbligo morale che i principali paesi europei produttori di emissioni avevano nei confronti dei paesi scandinavi recettori , dove si è verificata la maggior parte dei problemi relativi alle deposizioni acide.

Per ridurre le emissioni di ammoniaca sarebbero necessarie azioni nel settore agricolo, e le lobby dell'agricoltura sono assai influenti nei circoli politici. Lo stesso accade in Nord America. Anche lì vi è un grosso problema legato alle emissioni di ammoniaca e anche lì mancano azioni per porvi rimedio.

David FowlerProfessor David Fowler, Centro per l'Ecologia e l’Idrologia - Consiglio per la Ricerca sull'Ambiente Naturale del Regno Unito

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Sulla chimica atmosferica: Enciclopedia climatica online ESPERE

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