Aerosol in atmosfera:immissione, trasformazione, rimozione

14 maggio 2008
Corso di eccellenza per scuole secondarie
Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica
Aerosol in atmosfera:immissione, trasformazione,
rimozione. Influenza sulla vita dell’uomo.
L. Di Matteo
[email protected]
1. Introduzione
2. Immissione
3. Trasformazione
4. Rimozione
5. Influenza sulla vita dell’uomo
Introduzione
Cosa hanno in comune?
Sono tutte sorgenti di aerosol
Gli aerosol fanno parte del nostro ambiente:
si formano sulla vegetazione, sono emessi
dai vulcani,sono sospinti dal vento per
lunghe distanze; le attivita’ dell’uomo ne
producono ingenti quantita’.
Si suddividono pertanto in:
1. Aerosol di origine naturale
2. Aerosol di origine antropico
Definizione
Particella di aerosol: insieme di molecole in grado di
mantenere le proprie caratteristiche fisiche e chimiche
per un tempo sufficientemente lungo da poterle
osservare e tale da consentire alle stesse di
partecipare a processi fisici e/o chimici come entita’ a
se’ stanti.
Possono essere solide o liquide
Le particelle atmosferiche possono essere caratterizzate
in base alla loro densità, forma, superficie, volume,
composizione e dimensione, che è il parametro più
importante.
Le dimensioni delle particelle costituenti il particolato
atmosferico coprono un range che si estende per oltre 4
ordini di grandezza: da pochi nanometri fino a circa 100
micrometri.
L’estremo inferiore non è esattamente definito perché
non esiste un criterio fissato che permetta di affermare
con precisione quando un gruppo di molecole diventi
una particella; l’estremo superiore corrisponde invece
alla dimensione di pioviggine o di sabbia finissima.
Dimensioni
Composizione chimica
La diversita’ delle sorgenti determina una diversa
composizione delle particelle che costituiscono il
pulviscolo ambientale.
Le polveri grossolane sono ricche di elementi tipici della
crosta terrestre (Fe, Si, Al, Ca, Mg), mentre le particelle
piu’ piccole, originate ad esempio da processi di
combustione, sono ricche di carbonio, nitrati e solfati.
Le emissioni industriali sono caratterizzate da metalli
pesanti (Ni, As, Fe, Cu).
Forma
Le particelle possono essere:
Sferiche
Cubiche
Filamentose
Si usano dei diametri equivalenti rispetto ad un
parametro:volume, superficie, resistenza al moto,
capacità di dispersione della luce.
Esempio
Diametro aerodinamico: diametro di una particella perfettamente
sferica di densità unitaria che ha le stesse caratteristiche inerziali
della particella in esame
La distribuzione del pulviscolo
atmosferico, se fosse espressa in
termini di massa, sarebbe alquanto
diversa; ciò è dovuto al fatto che la
massa è proporzionale al cubo delle
dimensioni; in tale maniera il modo
grossolano sarebbe di gran lunga
quello prevalente.
Immissione
Le sorgenti dell’aerosol
Fenomeni naturali: erosione dal
suolo, spray marino, eruzioni
vulcaniche,vegetazione
Immissione
Fenomeni antropogenici:
emissioni da traffico, impianti
industriali di vario genere
Aerosol di origine naturale
Spray marino: particelle di aerosol immesse in
atmosfera in seguito ad esplosione di bollicine
d’aria prodotte dal moto ondoso di mari e oceani
Eruzioni vulcaniche: sono in grado di riversare
in atmosfera ingenti quantita’ di aerosol
Novembre 2002-Eruzione dell’Etna-Immagine da satellite
Trasporto di polveri sahariane: ogni anno grandi
masse d’aria trasportano centinaia di milioni di
tonnellate di sabbia del sahara verso l’occidente e
verso l’Europa.
Immagine da satellite
Inoltre…
Erosione
di rocce
Emissione da vegetazione
Incendi boschivi
Aerosol di origine antropica
Autoveicoli: emissione diretta di particolato da
combustione ma anche usura dei pneumatici e
asfalto
Processi industriali: quelli metallurgici danno il
contributo maggiore, seguiti dall’industria del
cemento
Inoltre…
Polveri
da agricoltura
Uso di combustibili fossili
Spargimento di sale
E’ importante sottolineare che il
contributo da aerosol di origine naturale
e’ addirittura superiore a quello prodotto
dall’uomo…
…Però le immissioni di aerosol
antropogenico, a differenze di quelle di
origine naturale, possono essere
controllate!
Trasformazione
Aerosol
primario: insieme di particelle
immesse direttamente in atmosfera
dalle diverse sorgenti
Aerosol
secondario: particelle non
direttamente immesse ma formate da
processi di conversione in atmosfera
L’aerosol di origine secondaria deriva
principalmente da polveri sottili; le polveri
grossolane forniscono un contributo
minimo.
Elementi chiave: presenza di precursori, ossidazione
elevati valori di radiazione solare.
L’aerosol secondario si forma in presenza dei cosiddetti
precursori, cioe’ composti gassosi di varia origine che in
atmosfera vengono trasformati chimicamente e ossidati
con produzione di particelle.
Questi composti poco volatili possono depositarsi su
particelle(condensazione) o unirsi tra di loro, formando
aggregati costituiti da diverse molecole che crescono
fino a diventare particelle. Questo processo si chiama
nucleazione.
Gli aggregati possono anche unirsi tra loro e formare
particelle più grandi: coagulazione.
La formazione di aerosol secondario può
riguardare sia la frazione organica che
inorganica.
Per la frazione inorganica questi eventi sono spesso
associati con elevate concentrazioni di biossido di
zolfo (SO2) ed elevati valori di radiazione solare.
L’aerosol secondario organico (SOA) deriva da
precursori, che sono principalmente composti
organici volatili (VOC) .
I VOC possono essere di origine naturale, emessi
prevalentemente da vegetazione ( e.g isoprene,
terpene) oppure da attività antropogenica (e.g.
benzene, toluene).
Rimozione
Una volta immesso l’aerosol viene rimosso mediante
diversi meccanismi:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Sedimentazione gravitazionale
Forze elettriche
Cattura inerziale
Diffusione
Precipitazioni
Formazione di nubi
Sedimentazione gravitazionale
Diametro aerodinamico(µm)
0.2
0.5
1.0
5.0
10
20
30
50
permanenza in atmosfera
5.3 days
28 h
7.9 h
21 min.
330 sec.
83 sec.
37 sec.
13 sec.
Le polveri “sottili” restano sospese in aria per tempi molto
lunghi
Forze elettriche
Le particelle di aerosol possono assumere una
carica elettrica ed essere attratte verso un
ostacolo di carica opposta.
Impatto inerziale
Ogni corpo presenta una certa inerzia al moto.
Se una particella di aerosol e trasportata da un
flusso che passa vicino ad un ostacolo, va ad
impattare sull’ostacolo perche’ non riesce a
seguire il campo repentino del flusso.
Diffusione browniana
La diffusione browniana e’ uno dei meccanismi
piu’importanti, soprattutto se si studiano particelle
submicroniche e nanoparticelle.
Il moto browniano caratterizza tutte le particelle immerse
in un fluido a causa dei continui urti che queste
subiscono da parte delle molecole del fluido stesso.
Il moto browniano di tali particelle e’ in
grado di aumentare la probabilità di urto.
Conseguenze sulla vita dell’uomo
Effetti
sulla Salute
Cambiamenti
Effetti
ottici
climatici
Effetti sulla salute
Le responsabili del blocco del
traffico…
Particolato atmosferico (PM): sistema
disperso di particelle liquide e solide in
sospensione in atmosfera.
Si suddividono in PM10, PM2.5 e PM1.
Aspetti legislativi-Cenni
Qualita’ dell’aria: studio e caratterizzazione delle sostanze
inquinanti, sia gassose che in forma di aerosol, presenti
nell’aria, al fine di stimare il rischio sanitario per la popolazione.
Se si esprime la distribuzione dimensionale in termini di massa,
il contributo maggiore deriva dalle particelle grossolane; se si
ipotizza che il danno arrecato sia dovuto alla quantita’, cioe’ alla
massa di agente nocivo inalato, si può concludere che le
particelle grossolane sono le piu’ nocive, quindi quelle da
monitorare con maggiore attenzione. In realta’ non sempre
e’cosi’…
Ciclone SCC 1.829
Testa campionamento
Le Direttive della Comunità Europea 99/30/CE e
2000/69/CE, recepite dalla nostra legislazione con il
Decreto Ministero dell’Ambiente e della Sanità
2.4.2002, n.60, oltre ad avere introdotto nuovi valori
limite per le diverse sostanze inquinanti, ha sostituito il
monitoraggio delle Polveri Totali Sospese con il PM10.
Per quanto riguarda il PM10, dall’1/1/2005 i limiti
nazionali ed europei sono i seguenti:
40 µg/m3 come media annuale (media delle
concentrazioni medie giornaliere)
50 µg/m3 come media giornaliera, da non superarsi
più di 35 volte all’anno.
Quest’ultimo limite è superato abbondantemente in
molte città italiane(Pianura Padana in particolare),
sia per la presenza di forti emissioni sia per le
condizioni meteorologiche che non favoriscono la
diluizione di inquinanti.
Bissuola
Numero
Superamenti
33
PD Circonvallazione Sacca Fisola Mandria
39
35
42
PD Arcella
RE (Via
RE (San
Risorgimento) Lazzaro)
41
29
RE (Via
Timavo)
28
Rovigo
45
32
Qualita’ dell’aria e meteorologia
Le condizioni meteorologiche condizionano fortemente la qualità dell’aria:
infatti la concentrazione di un inquinante dipende sia dalla quantità di
sostanza immessa in atmosfera ma anche dal volume nel quale essa
si disperde.
Tutti i processi coinvolti nella efficacia di rimozione degli inquinanti
avvengono nel PBL.
PBL: strato di atmosfera maggiormente influenzato dalla presenza della
superficie terrestre. Es la presenza di superfici urbanizzate, caratterizzate
da particolari valori di rugosità e di emissione di calore, influenzano lo
strato limite sopra di esse.
Le variabili atmosferiche che piu’ influenzano la qualita’
dell’aria sono:
Idrometeore: influenza i meccanismi di rimozione
degli inquinanti. L’assenza di precipitazione riduce la
capacita’ dell’atmosfera di rimuovere particelle
sospese
Vento: la sua intensita’ influenza sia il trsporto degli
inquinanti sia i fenomeni di risospensione
Temperatura: influenza i processi di rimescolamento
di origine turbolenta; l’alta temperatura favorisce il
rimescolamento, la bassa può causare fenomeni di
inversione termica che tendono a “confinare” gli
inquinanti.
Altezza di rimescolamento: è l’altezza dello strato
di atmosfera più vicino alla superficie terrestre.
Questa influenza direttamente il valore della
concentrazione degli inquinanti immessi in prossimità
della superficie, determinando il valore del “volume di
risospensione” . La max altezza è circa 2.5 Km, la
minima 50m.Questo parametro è modulato dal ciclo
giorno notte e dai cicli stagionali.
Frazione inspirabile, toracica e respirabile
L’apparato respiratorio si può suddividere in 3 regioni:
vie aeree superiori (naso, bocca, laringe, faringe)
regione dei polmoni
regione alveolare
Le particelle più grandi (5 µm <dae <10 µm) non riescono a
superare la larige faringe; quelle di dimensioni inferiori
2 µm <dae<5 µm riescono a raggiungere la zona polmonare, le
piu’ piccole, dae <1 µm riescono a penetrare a livello degli alveoli
polmonari.
Frazione inspirabile: porzione di aerosol che
passa attraverso il naso o la bocca
Frazione toracica: entrano nei polmoni
Frazione respirabile: particelle che penetrano
negli alveoli.
Effetti principali:malattie respiratorie, cardiache,
mortalita’.
Sono essenzialmente legati alla dimensione del
particolato e alla sua composizione chimica.
Cambiamenti climatici
Radiative Forcing
Effetto serra
Le particelle di aerosol possono avere una azione
diretta sul clima per effetto dell’assorbimento e
diffusione della radiazione solare.
Possono inoltre fungere da nuclei di condensazione
(CCN) e di ghiacciamento (IN): si ha pertanto un effetto
indiretto sul clima, in quanto si produce una
modificazione dell’albedo delle nubi ed anche della loro
vita media.
backscatterig
assorbimento
Influenza sulle nubi
Indice di rifrazione
Fattore caratterizzante le proprietà ottiche degli aerosol:
n = nr - ini
nr= parte reale (diffusione)
ni = parte immaginaria (assorbimento)
La parte immaginaria è zero per particelle non assorbenti, mentre presenta
valori elevati per quelle assorbenti
(es. nquarzo=1.544 mentre nblack_carbon=1.96-0.66i)
Definizioni
I nuclei di ghiacciamento (IN) sono particelle
di aerosol che favoriscono la formazione
della fase ghiaccio, direttamente dalla fase
vapore (sublimazione) o da fase liquida.
I nuclei di condensazione sono particelle
igroscopiche inorganiche e/o organiche, che
favoriscono la formazione di goccioline in
nube.
Elementi essenziali per la formazione di
nubi:
Presenza di vapore acqueo
Presenza di nuclei
La presenza di aerosol influenza la formazioni
delle nubi. Queste riflettono all’indietro parte
della radiazione solare provocando un raffreddamento.
La microfisica della nube e’ fortemente influenzata dall’aerosol
sulla quale si forma…
Es: nubi marittime sono nubi precipitanti
nubi continentali sono nubi con vita media molto elevata…
Effetti ottici
Polveri sospese: influenzano la formazione
di nebbia e nubi, variazione di proprieta’
ottiche dell’atmosfera, con effetti su
visibilita’.
Altre conseguenze…
Nel 1883 il vulcano Krakatoa (Indonesia)
riversò in atmosfera una grande quantita’
di polvere con consegenze sui colori dei
tramonti e della luna…
In tali casi, alcune componenti della luce lunare
vengono disperse piu’ di altre e la componente
blu prevale sulle altre…
BLUE MOON