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Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali
Qualità dell’aria
Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali
a.a. 2007-2008
Dispense del Corso
Laurea in Ingegneria Gestionale
Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni (ind. Sistemi di Telerilevamento)
Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica (ind. Gestione e Automazione dei Servizi)
Chiara Mocenni
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L’ecosfera
• E’ costituita da:
• Litosfera,
• Idrosfera,
• Biosfera,
• Atmosfera.
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• La litosfera
• La litosfera è l'involucro esterno rigido della terra, con spessore
di 70-150 Km, suddiviso in placche mobili. La parte più
superficiale, con uno spessore di 20-60 Km, viene definita
crosta. Gli elementi presenti in quantità notevole nella crosta
sono solo 8. La maggior parte degli elementi della crosta è
presente sotto forma di silicati.Lo strato sottile di alterazione
superficiale è detto pedosfera o suolo.
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• L'idrosfera è costituita dal complesso delle acque, che coprono i
sette decimi della superficie terrestre. Dell'idrosfera fanno parte
oceani, mari, ghiacciai, laghi, fiumi, falde acquifere sotterranee.
Gli atomi di idrogeno e ossigeno sono di gran lunga la
componente più abbondante dell'idrosfera. Altri elementi vi si
trovano in quantità relativamente molto piccola e si tratta in
buona parte di sali solubili in acqua.
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La biosfera
•
La biosfera è l'insieme dellle zone della terra nelle quali sono presenti i
viventi.
Comprende perciò:
•
la parte inferiore dell'atmosfera (i primi 10 Km circa)
•
tutta l'idrosfera
•
la parte superficiale della litosfera (i primi 2 Km di profondità della
crosta terrestre).
•
Il termine biosfera viene usato anche per individuare l'insieme di tutti gli
esseri viventi.
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L’atmosfera
• Lo strato di atmosfera che circonda la Terra è estremamente
sottile. Se si considera solo la parte più densa che giunge a circa
60 km al di sopra della superficie terrestre, si ha uno spessore
che è pari a solo un centesimo del raggio della Terra
all'Equatore, che è di 6.378 km. La composizione chimica e le
caratteristiche fisiche dell'atmosfera variano secondo la quota. La
composizione dell'atmosfera tra il suolo e 10-12 km può però
considerarsi pressoché costante e formata da un miscuglio di
gas tra i quali dominano nettamente l'azoto e l'ossigeno.
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L’atmosfera si suddivide in:
• Mesosfera: si trova da 50 a 90 km e qui la luce
solare scinde le molecole presenti (ad esempio l’H2O
è scissa in atomi di idrogeno e ioni ossidrili)
• Stratosfera: si trova tra 12 e 50 chilometri, è
caratterizzata dalla formazione e dall’accumulo
dell’ozono. Questo gas assorbe i raggi ultravioletti
provenienti dal sole impedendo loro di raggiungere la
terra e provocare danni agli organismi viventi.
• Troposfera: ha uno spessore di circa 12 km, ed e’
caratterizzata dalla presenza degli organismi viventi
e sede dei diversi fenomeni climatici e
meteorologici, è caratterizzata dalla presenza di
gran parte delle nuvole e da intensi moti dell’aria.
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• Vicino alla superficie terrestre l’atmosfera è formata
da N2 (78%), O2(21%), CO2(0,03%), e da piccole e
piccolissime quantità di molti altri gas (argon e altri
gas nobili, idrogeno, ozono vapor acqueo, metano).
Tale composizione è quasi costante, ed è una
conseguenza del rimescolamento prodotto dalle
correnti atmosferiche e si riferisce ad aria secca e
pulita.
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•
La più importante sorgente di energia per l'ecosfera è l’energia del sole
•
In base ad un bilancio energetico risulta che, mediamente, tutta l'energia in
entrata, sia nel comparto biotico che nel comparto abiotico, viene
reirradiata nello spazio.
•
L'energia che arriva sulla Terra con radiazioni di diversa lunghezza d'onda,
(la maggior parte nella regione del visibile, e perciò a basso contenuto
entropico), viene interamente riemessa all'esterno del pianeta sotto forma
di calore, cioè di radiazioni con la lunghezza d'onda dell'infrarosso, a più
alto contenuto entropico (energia libera).
•
La radiazione solare fornisce l'energia libera che determina la maggior
parte dei cambiamenti e degli eventi che avvengono nell'ecosfera.
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Una parte dell'energia solare, circa il 35%, viene riflessa
direttamente verso lo spazio dall'atmosfera.
• Il restante 65% viene dapprima assorbito (circa il 19%
dall'atmosfera, circa il 46% dalla superficie) e infine reirradiato
nello spazio.
• E' chiaro che praticamente tutta l'energia solare che arriva alla
Terra viene reirradiata nello spazio.
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Aria contaminata
• I composti di origine naturale e/o antropica, per la loro
caratteristica o per la quantità con cui sono presenti,
possono essere in grado di produrre danni anche
gravi agli esseri viventi, alla vegetazione e ai
manufatti.
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• L’interazione della biosfera con l’atmosfera ed in
particolare l’emissione di inquinanti produce
conseguenze sui naturali processi di produzione e
rimozione delle sostanze.
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Rilevazioni sperimentali
• Alte concentrazioni di ozono e altri ossidanti
fotochimici in aree urbanizzate;
• Aumento dei valori di ozono troposferico;
• Acidità delle piogge (pH sempre più bassi);
• Iperattività algale nei mari (vedi dispense sulla qualita’
dell’acqua).
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L’Ozono O3
• Ozono statosferico. L’ozono stratosferico è assolutamente
indispensabile per l’esistenza della vita sulla Terra, è in grado
infatti di neutralizzare, assorbendola, la componente ultravioletta
della radiazione solare, estremamente dannosa per tutti gli
organismi viventi.
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Le reazioni di formazione e decomposizione dell’ozono si ripetono
continuamente assicurando la presenza dello strato naturale di ozono.
•
Le attività umane possono modificare le quantità di ozono stratosferico e
la sua distribuzione verticale. I principali responsabili di questo
cambiamento sono:
•
i clorofluorocarburi (CFC)
•
i fertilizzanti azotati, utilizzati nell’agricoltura che entrando nel ciclo
dell’azoto aumentano la produzione batterica di ossidi di azoto
•
i processi di combustione (riscaldamento domestico, industriale e
trasporti) che immettono ossidi di azoto nell’atmosfera
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• I CFC non sono composti naturali, ma sono stati sintetizzati
dall’uomo a partire dagli anni '30. Sono inerti chimicamente e non
sono infiammabili. Il loro impiego era legato soprattutto all’utilizzo
nei circuiti refrigeranti, come propellente per aerosol (o spray) e
come schiume per l’isolamento termico.
• I CFC non subiscono alcun cambiamento prima di arrivare nella
stratosfera, dove vengono demoliti a opera dei raggi UV
liberando cloro, che funge da catalizzatore delle reazioni che
portano alla distruzione dell'ozono.
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Accordi internazionali hanno limitato la produzione di
CFC:
• Protocollo di Montreal del 1987 prevedeva la
riduzione del 50% della produzione entro il 1999.
• Accordi di Londra e di Copenaghen del 1990
hanno previsto la cessazione della produzione di
CFC a partire dal 2000.
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Scala urbana e regionale
• Monossido di carbonio (CO)
Composto gassoso inodore, insapore e incolore.
Formazione: combustione incompleta di carbonio
2C + O2  2CO (veloce)
2CO + O2  2CO2 (lenta)
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• Reazione ad elevata temperatura (negli altoforni:
minerali contenenti ossido di ferro per la produzione
della ghisa) tra CO2 e composti contenenti carbonio
CO2 + C  2CO
• Dissociazione ad alta temperatura di CO2 in CO e O.
L’equilibrio CO2 ↔ CO + O si sposta a destra quando
i fumi vengono bruscamente raffreddati e la CO2
rimane dissociata.
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Sorgenti
• Mezzi di trasporto su strada (63%);
• Trattamento dei rifiuti (17%);
• Altre forme di trasporto (7%);
• Combustione (industriale e non) (7%);
• Processi di produzione (5%);
• Altro (1%).
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Ossidi di azoto (NO e NO2)
• Le reazioni avvengono ad alte temperature
(>1210°C) tra N2 e O2:
N2O2  2NO
2NO + 2O2 2NO2
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• Sorgenti: la fonte principale di NOx è l’azione batterica
che ne produce un quantitativo dieci volte superiore a
quello antropico. Si è riscontrato però che in aree
urbane la concentrazione di NOx è 10-100 volte
superiore che nelle aree extraurbane.
• La maggiore fonte di NOx sono i trasporti.
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• Il tempo di permanenza in atmosfera degli NOx è
breve (3-4 giorni). Questo fa pensare che vi siano
meccanismi di rimozione naturale.
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Effetti degli NOx
• Piante (NO2: necrosi delle foglie, NO diminuzione della velocità
della fotosintesi).
• Uomo (Sono irritanti per l’apparato respiratorio, e provocano
lesioni infiammatorie irreversibili del tessuto polmonare in caso di
forte esposizione, e lesioni vicine all’enfisema in caso di
esposizione permanente. In particolare il biossido di azoto (NO2),
specie se a elevate concentrazioni, può essere causa di
convulsioni, di paralisi del sistema nervoso centrale, di irritazione
al naso e agli occhi, nonché di nefriti croniche).
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Ossidi di zolfo
• SO2 (biossido di zolfo), SO3 (anidride solforosa).
S + O2 ↔ SO2
2SO2 + O2 ↔ 2SO3
In presenza di vapore acqueo si forma l’acido
solforico
SO3 + H2O  H2SO4
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Fonti di inquinamento
• Naturali (vulcani) (61%);
• Antropiche (39%);
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Effetti
• Piante
• Brevi esposizioni ad alte concentrazioni: danni acuti (necrosi
delle foglie)
• Lunghe esposizioni a basse concentrazioni: danni cronici
(riduzione dell’attività fotosintetica)
• Uomo
• gas pungente: irritazioni del tratto superiore dell’apparato
respiratorio
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Il particolato o aerosol atmosferico
•
Insieme della particelle la cui dimensione può variare da pochi angström
(fine particle) a qualche centinaia di micron (coarse particle).
•
Fine particle:
• 0.005-0.1 μm: vengono prodotte per condensazione di vapori
prodotti nella combustione, la più numerosa, ma contribuisce poco
alla massa totale;
• 0.1-2.5 μm: condensazione di vapori e coagulazione di particelle più
piccole;
Il coarse particle è costituito dalle polveri.
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Fonti di inquinamento
• Processi naturali: vulcani, effetti del vento sul terreno.
Questi processi solo raramente producono
inquinamento.
• Attività umana: industria delle costruzioni (particelle di
polvere), fonderie (ceneri volatili), combustione
incompleta (fumi). Trasporti (combustione e
polverizzazione di materiali quali gomma di
pneumatici e asfalto da parte di veicoli)
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Effetti
• Piante: polveri di forni per cemento formano una
incrostazione sulle foglie che impedisce la fotosintesi.
• Uomo: gli effetti maggiori si hanno sull’apparato
respiratorio in proporzione inversa rispetto alla
dimensione delle particelle.
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• Le polveri totali sospese (pts) sono responsabili dello smog
classico, chiamato anche "smog di tipo Londra", che consiste in
una nebbia nerastra con alte concentrazioni di fumo e gas
smog = smoke (fumo) + fog (nebbia)
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Smog fotochimico
• Le reazioni fotochimiche sono reazioni di fotodissociazione che,
in presenza di particolari condizioni emissive o meteorologiche
possono produrre grandi quantità di inquinanti secondari e di
ozono.
• L’inquinamento fotochimico è il complesso delle trasformazioni
degli ossidi di azoto e dell’ozono che, in presenza di composti
organici, producono sostanze nocive come i PAN (Perossi-AcetilNitrati).
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• “Smog di Los Angeles”, da non confondersi con lo
smog di Londra.
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I composti principalmente coinvolti nell’inquinamento
fotochimico sono l’ozono troposferico e i VOC
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L’Ozono troposferico
• Gli inquinanti primari coinvolti nella formazione di
ozono (inquinante secondario) sono:
• gli ossidi di azoto (NOx) emessi dal traffico veicolare,
dagli impianti di combustione delle industrie, dalle
centrali termoelettriche, dagli inceneritori di rifiuti
• i composti organici volatili (VOC) prodotti dalle diverse
attività umane e in particolare dal traffico veicolare.
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• L' ozono presenta un andamento tipicamente
stagionale e raggiunge le massime concentrazioni in
estate, durante le ore diurne con un picco sempre di
massimo nelle prime ore del pomeriggio di giornate
assolate.
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Effetti dell’O3 sull’ambiente: piante
• L’ozono è è considerato attualmente l’inquinante atmosferico più
dannoso per le piante. Infatti, essendo facilmente solubile in
acqua, penetra nelle foglie dove è in grado di alterare l’attività
degli enzimi responsabili della fotosintesi con conseguente
distruzione della clorofilla.
• Gli effetti più visibili sono l’ingiallimento delle foglie, la necrosi
(macchie), l’invecchiamento precoce; l’ozono tuttavia causa
anche una riduzione dei cicli vegetativi e uno sviluppo ridotto.
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Effetti dell’O3 sulla salute: uomo
• L’ozono è un gas altamente aggressivo e la sua inalazione
provoca l’irritazione delle vie respiratorie dell’uomo e
dell’animale.
I sintomi dipendono sia dalla sua concentrazione nell’aria
che dalla durata dell’esposizione.
• Gli episodi di inquinamento acuto di poche ore, sono responsabili
di irritazione agli occhi, al naso e alla gola, di attacchi di tosse e
di un senso di pressione sul torace.
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Inquinamento da VOC
Provengono da attività e processi industriali, da
riscaldamento domestico e industriale e
dall’evaporazione del carburante.
Principali cause:
• Processi naturali
• Trasporto su strada (emissione di idrocarburi)
• Uso di solventi
• Agricoltura e foreste
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Effetti dei VOC sulla salute dell’uomo
I VOC possono dar luogo ad anemia, disturbi
nervosi, leucemia, ma soprattutto aumentano il
rischio di cancro.
Combinati con altri agenti inquinanti potrebbero
contribuire alla formazione di malattie del sangue e
disturbi genetici.
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Effetto Serra e clima
• La luce solare rappresenta la principale fonte di
energia ed è indispensabile per la presenza e la
permanenza della vita sulla terra.
• L’energia del sole, dopo aver attraversato i diversi
strati dell’atmosfera, viene qui assorbita, riflessa e
diffusa. Raggiunge poi la superficie solida o liquida
della terra dove viene in parte assorbita.
• Ciò produce il riscaldamento della superficie terrestre
che emette a sua volta una radiazione
elettromagnetica, prevalentemente infrarossa.
• Queste radiazioni vengono a loro volta in parte
assorbite dai gas atmosferici (in particolare H2O, CO2,
CH4 chiamati gas-serra) che riemettono poi l’energia
termica verso il suolo, intrappolando così il calore a
contatto con la superficie.
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J.B. Fourier nel 1827 ha ipotizzato per primo l'esistenza di
un effetto atmosferico, che tende a riscaldare il pianeta,
utilizzando l'analogia di ciò che succede in una serra, dove
in condizioni di equilibrio, si mantiene all’interno della
serra stessa una temperatura poco variabile tra il giorno e
la notte.
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• Il tenore di CO2 (uno dei maggiori responsabili
dell’effetto serra) della troposfera è leggermente
aumentato, passando da 290 ppm (parti per milione)
all’inizio del secolo a 321 ppm nel 1970 e circa 325
ppm negli anni ottanta. Questo aumento è associato
alla crescita delle attività economiche e dei processi di
combustione a cui si deve aggiungere la costante
diminuzione del patrimonio boschivo, con il
conseguente calo della fotosintesi clorofilliana.
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Tratto da: National Center for Atmospheric Research and University
Corporation for Atmospheric Research. http://www.ucar.edu/
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Questi eventi potrebbero avere un impatto molto
negativo sull’agricoltura, sulla flora e sulla fauna con
scomparsa di talune specie e la distruzione di
particolari ecosistemi.
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Accordi internazionali
• 1992 Conferenza di Rio: impegno a non superare
nel 2000 le emissioni industriali del 1990
• 1997 Conferenza di Kyoto: impegno alla riduzione del
5,2% delle emissioni dei gas serra dei Paesi
industrializzati entro il 2008-2012
• 1998 Conferenza di Buenos Aires: attuazione del
protocollo di Kyoto, ratifica da parte di 55 Paesi che
rappresentano almeno il 55% del totale delle
emissioni.
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Accordi nazionali
• 1998 Delibera del CIPE (Comitato Interministeriale
per la Programmazione Economica ) individua 6
azioni per la riduzione delle emissioni dei gasserra:
• aumento di efficienza del sistema elettrico
• riduzione dei consumi energetici nel settore dei
trasporti
• produzione di energia da fonti rinnovabili
• riduzione dei consumi energetici nei settori
industriale, abitativo, terziario
• riduzione delle emissioni nei settori non energetici
• assorbimento delle emissioni di anidride
carbonica da parte delle foreste