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 Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali L’ecosfera • E’ costituita da: • Litosfera, • Idrosfera, • Biosfera, • Atmosfera. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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). Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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 Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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) Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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%). Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Ossidi di azoto (NO e NO2) • Le reazioni avvengono ad alte temperature (>1210°C) tra N2 e O2: N2O2 2NO 2NO + 2O2 2NO2 Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • Il tempo di permanenza in atmosfera degli NOx è breve (3-4 giorni). Questo fa pensare che vi siano meccanismi di rimozione naturale. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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). Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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 Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Fonti di inquinamento • Naturali (vulcani) (61%); • Antropiche (39%); Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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 Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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) Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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) Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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). Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • “Smog di Los Angeles”, da non confondersi con lo smog di Londra. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali I composti principalmente coinvolti nell’inquinamento fotochimico sono l’ozono troposferico e i VOC Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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 Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali • 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Tratto da: National Center for Atmospheric Research and University Corporation for Atmospheric Research. http://www.ucar.edu/ Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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. Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali 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