Atmosfera della Terra

Dispensa 2
Fenomeni naturali e dinamiche degli inquinanti nell’atmosfera
L’effetto serra
Il clima della Terra è regolato dal continuo flusso di energia proveniente dal sole. La radiazione
solare non solo fornisce l'energia necessaria per la circolazione delle masse d'aria e delle correnti
oceaniche, ma è anche responsabile della temperatura del nostro pianeta. Circa il 30% della
radiazione che colpisce la Terra viene immediatamente respinta verso il cosmo, ma il 70% passa
attraverso l'atmosfera e raggiunge la superficie terrestre, riscaldandola.
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Distribuzione dell'energia solare nei vari ambienti del Pianeta
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La superficie terrestre, a sua volta, come ogni corpo riscaldato emette radiazione infrarossa (detta
anche radiazione termica, lo stesso tipo di energia liberata dalla resistenza di un phon o di un
tostapane prima che diventi incandescente). La radiazione infrarossa non riesce a passare attraverso
l'atmosfera per essere espulsa verso il cosmo come fa la radiazione visibile che ci arriva dal sole,
perché nell'atmosfera sono presenti dei gas che assorbono e riemettono tale radiazione nuovamente
in direzione della superficie terrestre. In questo modo l'energia termica che la Terra irradia non può
essere dispersa nello spazio, ma rimane confinata nella sottilissima “bolla d'aria” che avvolge il
nostro pianeta con un conseguente aumento della temperatura. Questo è il cosiddetto “effetto
serra”.
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L'effetto serra è un fenomeno naturale che è stato di vitale importanza per lo sviluppo della vita
sulla Terra: è stato calcolato che, se nell'atmosfera non ci fossero gas in grado di trattenere il calore
irraggiato dalla superficie terrestre riscaldata dal sole, la temperatura media sul nostro pianeta
sarebbe di circa 19 gradi sotto lo zero, ovvero ben 33° C più bassa della temperatura media
effettiva.
I "gas-serra"
I gas responsabili dell'effetto serra naturale del pianeta sono: vapore acqueo (H2Ovap), anidride
carbonica (CO2), metano (CH4), ossido nitroso (N2O), ozono (O3).
Di questi, quello che gioca il ruolo maggiore è senza dubbio il vapore acqueo, la cui presenza in
atmosfera è indispensabile per la vita sul pianeta e comunque non è direttamente influenzata dalle
attività umane.
La sola CO2 è responsabile per circa il 60%
dell'intensificazione dell'effetto serra naturale.
Questo gas è naturalmente presente nell'atmosfera
terrestre in piccole concentrazioni, ma la
combustione di carbone ed altri combustibili fossili e
del gas naturale, unita alla deforestazione, che riduce
la quantità di questo gas assorbita dalle piante, ha
causato negli ultimi 200 anni una crescita della sua
concentrazione di quasi il 30%.
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Il metano, che è ritenuto il combustibile più “pulito” grazie al fatto che durante la sua combustione
non vengono rilasciati altri prodotti inquinanti oltre all'inevitabile anidride carbonica, in atmosfera
ha un potere di riscaldamento circa 20 volte maggiore di quello dalla CO2. Le fonti principali da cui
viene rilasciato in atmosfera sono l'agricoltura (in particolar modo le coltivazioni di riso sommerse
dall'acqua) e l'allevamento di grandi mandrie di bestiame. La sua concentrazione in atmosfera è già
più che raddoppiata rispetto ai livelli pre-industriali. Nonostante ciò questo gas contribuisce solo per
il 15-20% all'incremento dell'effetto serra, perché, fortunatamente: la sua concentrazione
atmosferica è molto più bassa di quella della CO2 (almeno 2 ordini di grandezza); la sua
permanenza nell'atmosfera è molto più breve (circa 12 anni) in confronto a quella dell'anidride
carbonica.
Il caso del metano ci deve far riflettere sul fatto che attività, come l'agricoltura e l'allevamento, che
a prima vista potrebbero essere considerate ecologicamente “pulite”, comportano anch'esse delle
emissioni nell'atmosfera il cui impatto non deve essere trascurato. Il metano, oltretutto non è un
caso isolato: un altro esempio di gas serra generato dalle attività agricole è quello dell'ossido
nitroso, le cui emissioni sono cresciute del 15% circa negli ultimi 2 secoli a causa di uno
sfruttamento agricolo sempre più intensivo.
L'ultimo dei gas elencati, ossia l'ozono, pure essendo un gas naturalmente presente alle alte quote, è
stato introdotto nei bassi strati dell'atmosfera (troposfera) principalmente come sottoprodotto delle
reazioni generate dai gas di scarico degli autoveicoli, ed è quindi un tipico indicatore
dell'inquinamento urbano.
Ai gas serra naturali recentemente se ne sono aggiunti molti altri, capaci di aumentare l'effetto serra
naturale del pianeta; si tratta di gas prodotti dall'uomo come quelli appartenenti alla famiglia dei
clorofluorocarburi (CFC). I CFC, insieme all'ossido nitroso e all'ozono, contribuiscono all'aumento
dell'effetto serra per il restante 20%.
Inversioni termiche e nebbie
E' noto che salendo in quota la temperatura scende; ma questa regola ha le sue eccezioni, e può
capitarci di osservare, durante un’escursione in montagna, che in uno strato d'aria dello spessore da
pochi metri fino a qualche centinaio la temperatura sale.
La causa più comune é un forte irraggiamento termico notturno. A causa del cielo sereno, durante la
notte si produce un forte raffreddamento del suolo che a sua volta raffredda il sottile strato d’aria a
contatto con esso. Se l’umidità é sufficientemente elevata e la temperatura dell’aria diminuisce oltre
la temperatura di rugiada si ha la condensazione e quindi la formazione di nebbia. Più in alto,
lontano dal suolo l’aria rimane calda. Questa situazione é caratteristica delle pianure, famose le
nebbie della pianura padano-veneta, e spesso l’alpinista osserva dall’alto la penetrazione di queste
nebbie nella parte inferiore delle valli.
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Un fattore importante che è responsabile dell’inversione termica è rappresentato dalla capacità
termica dei diversi corpi: terra, roccia, acqua, terreno erboso, sabbia, ecc. ognuno di questi materiali
si comporta differentemente rispetto all'energia ricevuta dal Sole. Sostanzialmente terra e acqua
possiedono una diversa capacità termica. Se immaginiamo una superficie, per metà costituita da
terra e per metà costituita da acqua, noteremo che benchè colpiti dalla medesima quantità di energia
solare, il calore viene incamerato con modalità differenti. La terra si riscalda molto rapidamente.
Dal sorgere del Sole, la temperatura delle superfici rocciose subisce un'impennata. Analogamente
avviene con il tramonto. La roccia si raffredda con la stessa rapidità con cui era avvenuto il
riscaldamento. Invece il mare ha un andamento molto meno brusco, poiché la sua capacità termica è
differente. Esso, infatti, si riscalda molto lentamente sotto l'incalzare dei raggi solari, e
conseguentemente cede molto lentamente il calore incamerato. Da questo diverso comportamento
rispetto al calore, deriva che l'aria vicina al suolo, risentendo del raffreddamento del suolo, finisce
per essere più fredda di quella posta negli strati superiori.
In condizioni di cielo sereno, dopo il tramonto il suolo e gli strati d’aria immediatamente
sovrastanti si raffreddano rapidamente; l’aria fredda è più densa e pesante rispetto a quella calda, e
tende così a fluire verso il basso e a raccogliersi in pianura, nei fondovalle, nelle conche e
depressioni anche in quota; in condizioni anticicloniche l’assenza di rimescolamento dell’aria
favorisce la formazione di uno strato più freddo a bassa quota. Durante l’estate la radiazione solare
è sufficiente a dissipare l’inversione già nelle prime ore del mattino, mentre in inverno questa tende
a mantenersi e a perdurare tutto il giorno e anche per più giorni consecutivi se non intervengono
perturbazioni o rinforzi del vento. L’inversione al suolo è riconoscibile visivamente per la
formazione, soprattutto nella stagione autunnale-invernale, di uno strato di foschia, caligine o
nebbia la cui persistenza è favorita dall’assenza di movimenti verticali delle masse d’aria attraverso
l’inversione; è questa la situazione più favorevole all’accumulo di sostanze inquinanti in prossimità
dei grandi centri urbani.
Un’altra causa d’inversione termica e di nebbie conseguenti è invece tipica della montagna. Quando
non vi sono venti e l’atmosfera é in stato di quiete, l’aria fredda, notoriamente più pesante, si
raccoglie nella notte nei fondovalle e nelle conche. Durante i mesi autunnali e invernali il calore del
sole non é sufficiente a scaldare i fondovalle e di conseguenza far salire l’aria fredda e umida, per
cui questa ristagna in fondo alla valle anche per tutto il giorno e di conseguenza la nebbia non si
dissipa. In questa situazione é più freddo il fondovalle delle vette, le quali godono
dell’irraggiamento solare per tutto il giorno. In inverno é facile trovare i fondovalle ancora innevati
e i pendii soleggiati in quota completamente spogli. Questo fenomeno è la spiegazione degli
insediamenti di pendio dei villaggi che incontriamo nelle valli delle Alpi.
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Nell’immagine a soprastante e' ben visibile il fenomeno della nebbia, l'inversione termica avviene a
150 metri e vi sono 5 gradi di differenza dal suolo, la nebbia non supera l'inversione termica. Nelle
pianure molto umide, sui laghi o lungo i fiumi si possono avere inversioni termiche ad un solo
metro di altezza con strati di nebbia sottilissima.
La nebbia e la foschia si possono considerare come delle vere e proprie nubi al suolo. Vediamo le
loro definizioni:
nebbia: sospensione di piccolissime (pressoché microscopiche) goccioline di acqua in prossimità
del suolo, tale da ridurre, per convenzione internazionale, la visibilità orizzontale a meno di 1
Chilometro.
foschia: sospensione nell’atmosfera di goccioline d’acqua microscopiche abbastanza disperse in
modo da consentire una visibilità orizzontale superiore a 1 Chilometro.
Se l’inversione termica si forma in quota, la sua presenza influenza direttamente le nubi (immagine
soprastante). La formazione di un’inversione termica in quota può essere causata da uno
scorrimento di aria calda sopra ad uno strato freddo: in questo caso si ha la formazione di uno strato
di nubi le cui sommità non supereranno mai l'inversione termica. Si possono avere anche più
inversioni termiche, sviluppate in altezza, ciascuna con il suo strato di nubi.
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Lo smog
L'inquinamento atmosferico delle aree urbane è comunemente detto smog, parola derivante
dall'accoppiamento di smoke (fumo) e fog (nebbia).
Si possono tuttavia distinguere due tipi di smog con caratteristiche differenti:, essi sono chiamati,
rispettivamente, smog tipo Londra (o classico) e smog tipo Los Angeles (o fotochimico) dal nome
delle città in cui questi tipi di smog si sono presentati in maniera caratteristica.
Lo smog classico è dovuto all'azione di biossido di zolfo e particolato nelle ore prossime all'alba in
condizioni di bassa insolazione, bassa velocità del vento, temperatura prossima a 0°C (stagione
autunnale ed invernale).
Esso si forma per il ristagno nell'atmosfera delle particelle solide e dell'anidride solforosa prodotti
dalla combustione, a seguito di condizioni meteorologiche favorevoli all'instaurarsi dei fenomeni di
inversione termica.
Lo Smog fotochimico è dovuto, invece, all'azione di ossidi di azoto, ossido di carbonio, ozono ed
altri composti organici volatili sotto l'azione della radiazione solare.
Lo smog fotochimico si verifica in estate nelle ore centrali della giornata in presenza di alta
insolazione, bassa velocità del vento, temperatura superiore a 18°C.
Gli ossidi di azoto ed i composti organici volatili sono fra i componenti principali delle emissioni
nelle aree urbane; le città poste nelle aree geografiche caratterizzate da radiazione solare intensa e
temperatura elevata (es. aree mediterranee) costituiscono dei candidati ideali allo sviluppo di
episodi di inquinamento fotochimico intenso.
Rispetto allo smog classico, quello fotochimico è caratterizzato da un'attività chimica molto più
intensa e presenta una complessa catena di reazioni che hanno luogo sotto l'effetto della luce.
In una regione quale è quella Mediterranea le alte intensità luminose e le elevate temperature
favoriscono le reazioni che portano alla formazione dello smog fotochimico e in particolar modo
dell'ozono.
Questo tipo di inquinamento rappresenta un problema per la salute dell'uomo, degli animali e delle
piante. Infatti, queste ultime, avendo un organo come quello fogliare con un rapporto
superficie/volume molto elevato, assorbono, attraverso le aperture stomatiche, una ingente quantità
di inquinanti gassosi.
Purtroppo, dato che le reazioni che portano alla formazione di agenti fotochimici sono molto
complesse, e la loro distribuzione è legata alle condizioni meteorologiche, risulta difficile
prevederne l'evoluzione e la distribuzione spazio-temporale e prendere conseguentemente i dovuti
provvedimenti.
Comunque, nonostante il gran numero di sostanze chimiche pericolose presenti, lo smog
fotochimico non ha provocato effetti acuti così drammatici come lo smog classico che, durante gli
episodi più gravi, ha causato migliaia di morti. I principali effetti dello smog fotochimico sono una
forte irritazione agli occhi e difficoltà nella respirazione.
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