Il ruolo della geologia per la salute pubblica
Venerdi 21 marzo 2014
Aula 11 - Dipartimento di Scienze della Terra Sapienza, Università di Roma
L'IMPATTO DELLA CO 2
GEOGENICA SULL’AMBIENTE SUPERFICIALE
E SULLA SALUTE
Giancarlo Ciotoli
Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria
Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IGAG)
CHE COS'E' L’ANIDRIDE CARBONICA
L'anidride carbonica a temperatura ambiente è un gas
incolore e inodore; non è tossica in sé, ma non è respirabile e
quindi può provocare la morte per asfissia.
Può essere solida solo quando si trova a temperatura
inferiore a -78 °C (ghiaccio secco).
~25°C
~-50°C
L'anidride carbonica è solubile in acqua solo quando la
pressione è mantenuta costante. A seguito di
variazioni di pressione tende ad esolvere nell'aria,
aggregandosi in bolle d'aria.
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DOVE SI TROVA LA CO2 NELL’AMBIENTE E
COME SI FORMA – IL CICLO DEL CARBONIO
L'anidride carbonica è ubiquitaria sulla terra e si
forma da processi naturali e artificiali
Produzione naturale :
1. Fotosintesi
2. Fermentazione batterica (respirazione)
3. Azione degli agenti atmosferici e erosione
chimica
4. Degassamento della Terra – CO2
GEOGENICA
Produzione artificiale:
Tutti i processi di trasformazione che utilizzano
un combustibile
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PROCESSI NATURALI CHE CONTRIBUISCONO
ALLA CO2 AMBIENTALE
1. Fotosintesi. Piante ed alghe e
batteri utilizzano energia solare per
combinare CO2 dall'atmosfera con
H2O per formare carboidrati
(CH2O). CO2 + H2O + luce solare ->
CH2O + O2
2. Respirazione cellulare.
I carboidrati formano
biomassa che viene
consumata da animali, funghi
e batteri per la loro energia.
3. Erosione chimica. La CO2 reagisce
con H2O per formare acido carbonico
(H2CO3) che si dissocia in H+ e HCO3-.
I prodotti di alterazione sono
prevalentemente argille e ioni solubili
come Ca2+, Fe2+, Na+ e K+.
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LA CO2 GEOGENICA:
VULCANICA E NON VULCANICA
4. La fonte primaria di CO2 è il degassamento dall'interno della Terra immagazzinata nel
mantello quando la Terra si è formata.
1. Degassamento diretto e/o
diffuso da vulcani di rift e di
bacini di arco e retroarco
2. Degassamento in aree
tettoniche, idrotermali e in
aree vulcaniche non attive
3. Emissioni dai giacimenti HC
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LA CO2 VULCANICA
Composizione di alcuni gas vulcanici (%, v/v)
(from Symonds et. al., 1994)
Volcano
Tectonic
Style
Temperature
Kilauea
Summit
Hot Spot
1170°C
Erta` Ale
Divergent
Plate
1130°C
Momotombo
Convergent
Plate
820°C
H20
37.1
77.2
97.1
C02
48.9
11.3
1.44
S02
11.8
8.34
0.50
H2
0.49
1.39
0.70
CO
1.51
0.44
0.01
H2S
0.04
0.68
0.23
HCl
0.08
0.42
2.89
HF
---
---
0.26
1. Il magma contiene gas disciolti che vengono
rilasciati nell'atmosfera durante le eruzioni. I gas
vulcanici potenzialmente pericolosi per la salute
sono anidride solforosa (SO2), anidride carbonica
(CO2), acido fluoridrico (HF).
2. La CO2 è più pesante dell'aria per cui in aree in
cui esistono emissioni di CO2, è importante
evitare piccole depressioni e zone ribassate che
potrebbero costituire trappole di CO2.
3. Respirare aria con una concentrazione di CO2
superiore al 30% CO2 può indurre perdita di
conoscenza e la morte. La CO2 può essere letale
per persone, animali e vegetazione.
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INCIDENTI PER EMISSIONI DI CO2
VULCANICA
Mammoth Mountain, USA
U.S. Geological Survey Fact Sheet
172-96, Online version
Volcano
Heimaey,
Vestmannaeyjar,
Iceland
Dieng, Indonesia
80*106 m3
di CO2
Lake Nyos, Cameroon
Date
Mortality
Reference
23 Jan 1973 1 death
Thorarinsson, 1979
~149 deaths
1000 injuries
37 deaths
16 Aug 1984
1 injury
1746 deaths
21 Aug 1986
>845 injuries
1980’s
2 deaths
Cronin et al., 2002; SEAN
04:02
20 Feb 1979
Lake Monoun,
Cameroon
Lake Nyos,
Cameroon
Vulcano, Italy
Rabaul, Papua New
24 June 1990 6 deaths
Guinea
3 deaths, some
Hakkoda, Japan
12 July 1997
hospitalisations
Mammoth
24 May 1998 1 death
Mountain, USA
December
Alban Hills Italy
1 death
2000
Nyiragongo, Congo January 2002 2 injuries
Sigurdsson et al., 1987
Othman-Chande, 1987
Baubron et al., 1990
Itikarai and Stewart, 1993
Hayakawa, 1999
Hill, 2000
Beaubien et al., 2003;
Carapezza et al., 2003
BGVN 27:04
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CO2 VULCANICA VS CO2 ANTROPICA
(Gerlach, 2011)
35 Gton/y
I gas vulcanici emettono in
atmosfera più CO2 delle
attività antropiche?
La ricerca ci dice che la risposta
a questa domanda è
definitivamente, “No.”
0.26 Gton/y
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CO2 VULCANICA VS CO2 ANTROPICA
• I vulcani emettono meno CO2 di quella
prodotta dal cambiamento di uso del suolo
(3.4 Gton/y), dagli autoveicoli (3.0 Gton/y)
o dai cementifici (1.4 Gton/y ). Ci vogliono
11000 Kilauea per raggiungere l’emissione
di CO2 antropica
• Le emissioni vulcaniche di CO2 sono
confrontabili con quelle emesse da 12
centrali elettriche a carbone da 1000megawatt (0.22 Gton/y )
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LA CO2 NON VULCANICA
La CO2 non-vulcanica si riferisce
quella di sorgenti di tipo
geotermale e quella emessa nelle
aree tettoniche attive.
La maggior parte del
degassamento in queste aree
avviene per migrazione dei gas
endogeni lungo faglie e/o
fratture.
La sismotettonica gioca un ruolo
importante tra i fattori di
controllo di questo tipo di
degassamento.
Geyser, Yellowstone
National Park, Wyoming
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LA CO2 NON VULCANICA
In Italia le zone caratterizzate da forte
degassamento di CO2 sono per la
maggior parte ubicate lungo il margine
tirrenico. Ci sono circa 300 zone di
degassamento naturale, in cui
l'anidride carbonica fuoriesce
naturalmente dal sottosuolo. Questi
siti in alcuni casi si sono trasformati in
oasi protette, quali ad esempio Tor
Caldara, Anzio (oasi del WWF), in altri
casi sono diventati centri termali, in
altri casi ancora la CO2 è stata usata
per la produzione di acque minerali.
Tor Caldara, Anzio, Roma
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LA CO2 NON VULCANICA
Latera è un vulcano estinto ubicato nel
Lazio settentrionale. La CO2 prodotta da
processi di tardo-magmatismo migra verso
la superficie dando luogo a numerose
emanazioni gassose. In ambiente anidro le
micro-fughe di CO2 non possono essere
individuate e quantificate se non con
strumenti di misura dedicati e sensibili.
In casi di gas-vent come quello della foto e
in aree caratterizzate da elevate
concentrazioni di CO2, anche la
vegetazione risulta sofferente e/o
inesistente.
Latera, Viterbo
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LA CO2 NON VULCANICA
I comuni di Ciampino e Marino
ricadono nel complesso vulcanico dei
Colli Albani (circa 600.000 anni). Nelle
aree vulcaniche quiescenti si osserva
spesso un rilascio anomalo di gas dal
suolo, costituito prevalentemente da
anidride carbonica. L'emissione di gas
avviene soprattutto in corrispondenza
di fratture o faglie, lungo le quali i gas
risalgono verso la superficie. Il
fenomeno è variabile nel tempo e
nello spazio, e i terremoti possono
produrre l'apertura di nuove fratture.
Cava dei Selci, Ciampino
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LA CO2 NON VULCANICA
Fucino Plain (Central Italy)
Le aree tettoniche attive.
In genere il degassamento lungo le faglie
non è continuo nello spazio e nel tempo.
Tuttavia in molti casi la distribuzione delle
concentrazioni di CO2 nel suolo presenta
anomalie la cui geometria spesso indica un
chiaro legame con le tettonica.
Ciotoli et al., 2007
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LA CO2 NON VULCANICA
La CO2 del gas-vent di Fiumicino
è simile a quella presente nei gas
geotermici dei distretti vulcanici
del Lazio, Colli Albani e Monti
Sabatini.
Bigi et al.,
submitted
La differenza tra il vent
di Fiumicino e quelli
dei distretti vulcanici
laziali è nell’origine del
CH4 che mostra una
componente
termogenica
Fiumicino, Roma
dominante (Ciotoli et
25 Agosto 2013
al., 2013).
L’alto contenuto di δ13C della CO2
implica un’origine profonda
(mantello o termo metamorfismo
dei carbonati).
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LA COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA E
DELL’ARIA NEL SUOLO
Composizione dell’atmosfera
Componente
Azoto, N2
Concentrazione
78.084%
Ossigeno,O2,
20.946%
Argon, Ar
0.934%
Anidride carbonica, CO2
390ppmv
Neon, Ne
18.18 ppmv
Elio, He
5.24 ppmv
Metano CH4
Kripton, Kr
Idrogeno, H2
Protossido di azoto, N2O
Xenon,Xe
La composizione dell’aria che occupa i pori del suolo in superficie è
essenzialmente simile a quella atmosferica.
Tuttavia, la respirazione delle radici e microbica nella zona non satura
aumenta la CO2 e diminuisce concentrazioni di O2 rispetto al contenuto
all'atmosferico.
1.8 ppmv
1.14 ppmv
0.5 ppmv
0.3 ppmv
0.087 ppmv
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IL FLUSSO DI CO2 NEI GAS VENTS IN ITALIA
E IL RISCHIO PER LA SALUTE
Italian Gas Seeps
ItalianGas
GasSeeps
Seeps
Itlian
Safety
Not Recorded Incident
Animals
Animals & Humans
Latera
Monticchio
Manziana
Cava dei Selci
Palidoro
Soforata
Probabilità del rischio di incidente per
CO2 nel periodo 1990-2010
(Roberts et al., 2010)
Modificata da Chiodini et al., 2008
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ESPOSIZIONE ALLA CO2 GEOGENICA .
LE CONDIZIONI CHE CAUSANO ELEVATO LIVELLI INDOOR
Nelle aree caratterizzate da elevate
concetrazioni di CO2 nel suolo il gas
può passare nelle abitazioni
attraverso fratture del basamento,
del pavimento o delle pareti,
oppure attraverso le utenze e creare
problemi di salute in caso di scarsa
ventilazione dell’edificio.
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ESPOSIZIONE ALLA CO2 GEOGENICA.
LE CONDIZIONI CHE CAUSANO ELEVATO LIVELLI INDOOR
L'anidride carbonica indoor generalmente
non si presenta a livelli pericolosi.
I livelli indoor di CO2 dipendono:
1. Numero di persone presenti
2. Dal tempo di occupazione
3. Dalla ventilazione
4. Ampiezza delle sale
5. Presenza di prodotti di combustione
6. Concentrazione outdoor/suolo
La concentrazione outdoor può arrivare
anche a 500 ppm nelle aree urbane o
industriali.
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GLI EFFETTI SULLA SALUTE DELLA CO2
CO2 in Air
Duration of
Exposure
Health Effects or Hazards of Breathing CO2 gas at this level (National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH). 1996.
0.03 - 0.04 %
None, Typical outdoor CO2 levels
0.060
None, indoor CO2 levels of an occupied office space may be in this range, [OPINION: check fresh air intake at higher levels]
Under 2%
Occupants do not generally express awareness nor symptoms related to the CO2 level
2-3%
Occupants become aware of poor indoor air quality, may cause a feeling of heaviness in the chest and/or more frequent and deeper respirations.
2-3%
"several
hours"
Minimal "acidosis" (an acid condition of the blood) may occur but more frequently is absent. Breathing rate increases to 2x normal
5%
Indoor air quality complaints or effects may be due to reduced oxygen level rather than CO 2 toxicity. Breathing rate increases to 4 x normal
Over 5%
directly toxic
6.5% - 7.5%
20 minutes
Difficulty in breathing, impaired hearing, nausea, vomiting, a strangling sensation, sweating, stupor within several minutes and loss of
consciousness within 15 minutes.
Over 10%
Over 20%
Twenty-minute exposures to 6.5 or 7.5% decreased mental performance.
1 minute or
less
Several deaths have been attributed to exposure to concentrations greater than 20%.
Over 30%
Exposure to 30% has quickly resulted in unconsciousness and convulsions.
"Very high"
Damage to the retina, sensitivity to light (photophobia), abnormal eye movements, constriction of visual fields, and enlargement of blind spots.
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VALORI LIMITE DI ESPOSIZIONE INDOOR IN
ALCUNI PAESI
Paese
Valore Guida
(%)
Riferimento
Germania
0.02
AG IRK/AOLG, 2008
Finlandia
0.12
Finnish Classification Of Indoor Climate 2000
Francia
0.1
E’valutatiuon de la qualitè de l’air intèrierur 2010
Belgio
0.05
Besluit van de Vlaamse Regering van 11 juni 2004
Norvegia
0.1
Recommended Guidelines for Indoor Air Quality. National Institute Of Public Health (1999).
Olanda
0.12
Standard NEN 1089, Ventilatie in schoolgebouwen – Eisen. Nederlands Normalisatie-instituut, Delft, 1986.
Portogallo
0.1
Decreto -Lei n.º 79/2006 de 4 de Abril
Inghilterra
0.5
massimo valore raccomandato dall’ UK Building Bulletin (BB) 101-Ventilation of School Buildings, 2006.
Brasile
0.1
Guidelines for indoor air quality in offices in Brazil, 2000
Canada
0.35
Exposure Guidelines for Residential Indoor Air Quality, 1987.
Giappone
0.15
Ministry of Health, Labour and Welfare of Japan 1990
USA
0.1
ANSI/ASHRAE 62.1-2010 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality
Italia
Attualmente, nella normativa nazionale per gli ambienti indoor-residenziali non sono presenti limiti standard.
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COSA STA FACENDO LA REGIONE LAZIO
Determinazione A00271 del 19/01/2012
Aree indiziate di emissione pericolosa di Anidride Carbonica (CO2) nei territori dei Comuni di Castel
Gandolfo, Ciampino, Marino e Roma (Municipi X, XI, XII). Nuove direttive agli uffici regionali competenti ai
fini del rilascio dei pareri ai sensi dell'art. 89 del D.P.R. 380/01.
La determina prevede che le varianti urbanistiche al P.R.G. e gli Strumenti Urbanistici Attuativi dovranno
essere accompagnati da studi, indagini e relazioni specifiche sui gas del suolo.
A seguito del monitoraggio sarà possibile individuare:
a. Aree <= 1% CO2 non ci sono prescrizioni e pertanto sarà consentita la realizzazione di interrati e
seminterrati
b. Aree 1<CO2<2% previsti solo piani seminterrati opportunamente areati; adeguate tecniche
costruttive per limitare il passaggio del gas dal suolo all’interno degli edifici; piano di sicurezza
c. Aree 2<CO2<5% gli edifici dovranno essere realizzati con tecnologie a pilotis e non dovranno
prevedere piani interrati né seminterrati, fondazioni superficiali; adeguate tecniche costruttive;
piano di sicurezza; messa in opera di appositi sensori di CO2, permanenti e periodicamente calibrati
d. Aree CO2>5% l’area di sedime dell’edificio previsto sarà classificata “non idonea”.
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PROGETTI FINANZIATI DALLA
REGIONE LAZIO
Anno 2014. Regione Lazio e Istituto di Geologia e Geoingegneria
Ambientale del Consiglio Nazionale delle Ricerche. “Ricerca per i
Campionamento di dettaglio delle zone a concentrazione anomala di CO2 e
restituzione cartografica di mappe della concentrazione dei gas nel suolo
nella zona di Isola Sacra (comune di Fiumicino).”
Anno 2013. Regione Lazio e Centro di Ricerca CERI, Università di Roma
"Sapienza«, Laboratorio di Chimica dei Fluidi . "Restituzione cartografica di
mappe della concentrazione dei gas nel suolo nel settore meridionale del
Comune di Fiumicino, zona di Isola Sacra
Anno 2012. Regione Lazio e Centro di Ricerca CERI, Università di Roma
"Sapienza«, Laboratorio di Chimica dei Fluidi . Proposta di ricerca per la
valutazione della variabilità spazio-temporale della CO2 nei gas del suolo"
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DATI STATISTICI
Concentrazione di CO2 nei gas del suolo nel Lazio
REGIONE LAZIO
CO2 %
N
9702
Mean
3.45
GM
1.13
Median
1.14
Min
0.03
Max
100.00
P10%
0.23
P90% Std.Dev.
5.00
10.16
Laboratorio di Chimica dei Fluidi del Dipartimento di Scienze della
Terra della Sapienza Università di Roma, dati non pubblicati
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EFFETTI POSITIVI DELLA CO2 PER LA SALUTE
A concentrazioni comprese tra 7-12% la CO2 può produrre effetti positivi sulla salute:
• vasodilatazione. L’ipocapnia (bassa concentrazione di CO2 nel sangue arterioso)
restringe i vasi sanguigni e conduce una diminuita perfusione di tutti gli organi vitali.
• effetti calmanti o sedativi sulle cellule nervose. Mancanza di CO2 nel cervello può
provocare anomalie mentali e psicologiche che vanno da attacchi di panico e crisi
epilettiche, alla depressione e la schizofrenia.
• effetti rilassanti sulle cellule muscolari, mentre l’ipocapnia provoca tensione
muscolare, cattiva postura e, a volte, l'aggressività e la violenza
• regolatore del pH del sangue
• cura e mantenimento della pelle in caso di patologie
• l’iperventilazione isterica, può portare ad un aumento di sostanze alcaline nel sangue
per ipocapnia; in questi casi può risultare utile la respirazione dentro un sacchetto.
CONCLUSIONI
La CO2 geogenica è continuamente emessa dalla superficie terrestre
Le emissioni di gas sono visibili direttamente solo nelle aree in cui è presente un’attività
vulcanica centrale e/o periferica attiva
Esistono emissioni di CO2 non vulcanica nelle aree geotermiche e in aree caratterizzate
da tettonica attiva.
In queste aree spesso non esistono evidenze superficiali a meno che le emissioni non si
verifichino in acqua (presenza di bolle di gas). In caso di emissione anidra (non visibile) e
per concentrazioni superiori al 20-30% , spesso la vegetazione è sofferente e/o assente.
Come altre specie gassose (Radon), anche la CO2 può passare dal suolo alle abitazioni
Nonostante il rischio di incidente per CO2 sia un fenomeno estremamente raro, il
monitoraggio mediante la misura discreta e/o continua della concentrazione dei gas nel
suolo, è fondamentale per l’individuazione e la caratterizzazione delle «prone areas» e
la prevenzione del rischio.
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Giancarlo Ciotoli, Ph.D.
Istituto di Geologia Ambientale
e Geoingegneria (IGAG-CNR)
[email protected]
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