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Archibio.com  >  Ambiente >  Fenomeni di inquinamento >  Fulmini e ozono

Fulmini e ozono

La pericolosità della presenza dell’ozono alle basse quote dell’atmosfera

Autore Marco Monari
Categoria Fenomeni di inquinamento

Fulmini e saette! imprecava Tex Willer, l’eroe del celebre fumetto popolare creato da Gian Luigi Bonelli e “Galep” alla vigilia degli anni ’50, dando la caccia ai criminali e combattendo le ingiustizie perpetrate nelle sconfinate praterie americane. Bonelli evocava, attraverso l’imprecazione del suo eroe, la formidabile energia dei fulmini, fenomeni atmosferici ai quali più recentemente il suo quasi omonimo Giancarlo Bonelli, coadiuvato dal suo assistente animato Meteolino, ha dedicato il testo di educazione ambientale Tuoni, fulmini e saette. Manuale di meteorologia facile (Mursia 2003).
Qui, invece, io parlerò di fulmini e ozono, entrambi fenomeni che riguardano l’atmosfera, in quanto il primo non è solo uno spettacolare evento naturale ma è anche particolarmente interessante nelle sue dinamiche in quanto è collegato alla molecola di ozono, molecola dal comportamento così volubile che ci crea, in particolari circostanze, parecchi problemi … specie se non siamo in perfetta forma fisica o se siamo anziani o bambini e abitiamo nelle grandi città.

Nella vita quotidiana non siamo abituati a vedere insieme questi due elementi: i fulmini sono da sempre legati ai temporali, all’elettricità, al pericolo di fermarsi sotto un albero quando piove, e fanno parte fin dall’antichità del nostro immaginario collettivo (Giove è spesso rappresentato nell’atto di scagliarne uno); l’ozono, invece, è salito alla ribalta in tempi relativamente recenti, quando si cominciò a parlare di “buco nell’ozono” negli anni ’80. Tale espressione come si sa è ancor oggi utilizzata per indicare il sempre più pericoloso assottigliamento dello strato di ozono presente nella stratosfera, nella fascia denominata appunto ozonosfera.

L’obiettivo di questo articolo è mostrare la pericolosità della presenza dell’ozono alle basse quote dell’atmosfera quale costituente dello smog fotochimico. Infatti il processo di produzione dello smog (acronimo di due termini inglesi: smoke, fumo, e fog, nebbia) implica la partecipazione di decine di prodotti chimici in innumerevoli reazioni chimiche che avvengono contemporaneamente trasformando l’atmosfera delle città in un “gigantesco reattore chimico” dove l’ozono, per la sua costituzione chimica, partecipa da vero protagonista.

Cominciamo col dire che l’ozono all’interno dell’atmosfera (1) si  forma principalmente nella stratosfera attraverso la fotolisi dell’ossigeno, ovvero una dissociazione della molecola di ossigeno in forma atomica a opera di fotoni di lunghezza d’onda inferiore a 242 nanometri (2) (radiazioni UV-C) (3). L’ozono poi giunge nella troposfera provenendo in parte dalla bassa stratosfera attraverso intrusioni di masse d’aria (nell’ambito dello scambio delle stesse masse d’aria tra i due comparti atmosferici), e in parte da movimenti di masse d’aria presenti nella tropopausa. La formazione di ozono avviene inoltre, sia nella stratosfera sia nella troposfera, in prossimità di scariche elettriche, scintille e fulmini.

Partiamo da quest’ultimo: il fulmine, uno degli attori secondari nella produzione di ozono, è quel fenomeno atmosferico che, statisticamente, ogni anno scarica la propria energia per ben tre volte su ogni chilometro quadrato del nostro territorio. Occorre poi considerare che l’effettiva densità delle scariche atmosferiche dipende, in gran parte, dall’orografia dello stesso territorio.
L’innesco per la formazione di queste scariche atmosferiche è il moto ascensionale di masse d’aria umide e calde. Il movimento dell’aria può avvenire con modalità diverse:
il terreno si surriscalda per via di un intenso irraggiamento solare favorendo in tal modo la salita di masse d’aria (temporali di calore);
il procedere di un fronte di aria fredda si insinua al di sotto di un fronte di aria calda costringendolo a salire  (temporali frontali);
il movimento dell’aria calda al suolo incontra rilievi e viene costretta a innalzarsi (temporali orografici).
La salita verso l’alto di queste masse d’aria umida, intensificate nella stessa salita da altri fenomeni fisici, dà origine a formazioni nuvolose ubicate tra la troposfera e la tropopausa (10 -  12 Km di altezza) e con una vastità fino a 5 – 10 Km di diametro.
Nel corso di questo processo le gocce d’acqua e le particelle di ghiaccio contenute nelle nubi si caricano elettricamente. Solitamente nella parte alta della nube si accumulano particelle con carica positiva, mentre nella parte bassa si hanno particelle con carica negativa a cui si vanno ad aggiungere altre cariche elettriche dovute all’effetto “corona”.
Se la presenza di queste cariche elettrostatiche crea un’intensità di campo elettrico dell’ordine di numerosi KVolt per metro si producono delle scariche atmosferiche, chiamate scariche guida, che solitamente precedono la scarica a terra del fulmine vero e proprio. Tale fenomeno produce una compensazione tra le cariche elettriche presenti nelle nubi e le cariche elettriche al suolo.
Le scariche elettriche tra nube e nube sono invece dovute a una forma di compensazione elettrostatica sia tra le nubi sia all’interno delle stesse.
L’ozono [O3] è un gas che si forma, per la maggior parte, da molecole di ossigeno [O2]. Si concentra soprattutto nella stratosfera, circa il 90 % del totale, all’altezza dell’area chiamata appunto “ozonosfera” (circa 35 Km di altezza) e ha un caratteristico odore agliaceo che percepiamo per lo più nel corso di temporali e piovaschi in quanto l’ozono è liberato dalle nubi. E’ presente anche negli strati più bassi della troposfera, circa il 10 % rimanente del totale, quale prodotto antropico dello smog prodotto dall’inquinamento delle centrali termoelettriche e dai veicoli a motore, dagli incendi e da altri processi naturali. Si presuppone che per via di queste attività prodotte dall’uomo la concentrazione di ozono troposferico sia aumentata a partire dall’antropocene (4) generando circa il 10% dell’aumento del potenziale di riscaldamento dell’atmosfera.

Una molecola di ozono è costituta da tre atomi di ossigeno (spesso è prodotta dal legame O + O2) e, per via dei possibili legami chimici relativi alla sua formazione, è una molecola particolarmente reattiva. La sua vibrazione molecolare (5) fa si che si distribuisca su diverse lunghezze d’onda (0,320 µm, 5,7 µm, tra 9 e 10 µm con picco a 9 µm e 14,2 µm), vediamo, infatti, che la sua vibrazione simmetrica da tensione di legame si colloca tra 9 e 10 µm, la vibrazione da flessione di legame si verifica a 14,2 µm e la vibrazione da stiramento antisimmetrico si verifica a 5,7 µm. Se consideriamo la lunghezza d’onda delle radiazioni emesse dal sole abbiamo conferma che l’ozono è uno dei “gas serra” e in particolare la sua vibrazione simmetrica da tensione di legame si colloca in quel ristretto range, tra 8 e 13 µm, chiamato “regione finestra dell’atmosfera” in quanto altre molecole presenti in atmosfera (biossido di carbonio, metano, acqua, ecc.) assorbono le altre lunghezze d’onda IR.
L’ozono stratosferico è tuttavia un gas importante per la vita sulla terra in quanto assorbe la luce dei raggi ultravioletti UV – B provenienti dal sole e purtroppo la quantità di radiazione termica assorbita a tale livello si presume sia diminuita a causa della diminuzione della quantità di ozono per via della presenza dei gas clorofluorocarburi (CFC) nell’atmosfera, gas oramai banditi dalla produzione ma che purtroppo sono ancora utilizzati da alcuni paesi economicamente emergenti.
La politica economica che ancora non ha messo al bando i gas clorofluorocarburi (CFC) dai cicli produttivi persevera in quell’enorme danno ambientale conosciuto appunto come “ buco nell’ozono”. Si precisa che lo stato di ozono ha la funzione “filtro” alle radiazioni ultraviolette (trattenendo da solo circa il 99% della radiazione UV solare), che possono essere dannose per la salute delle persone e per il processo di fotosintesi delle piante.

Come si ricordava in precedenza, l’ozono nella stratosfera è prodotto sulla base della fotolisi dell’ossigeno mentre nella troposfera la sua produzione è dovuta alla reazione di addizione di un atomo alla molecola di ossigeno e nell’intero ambito atmosferico anche dalla presenza di scariche elettriche.
Ma come interagisce questa molecola nella stratosfera e nella troposfera, zona in cui siamo “immersi” ? vediamolo …
Nella stratosfera l’ozono [O3] reagisce con qualunque specie reattiva (chiamiamola a esempio X) a cui segua il ricircolo della specie reattiva associata all’ossigeno [O2]

 X + O3  --> XO + O2        oppure
 XO + O  --> X + O2

E’ inoltre possibile che, oltre a reazioni semplici come quella sopra illustrata, l’ozono possa averne di molto più complesse  realizzando dei veri e propri “cicli di reazione” (6) con altri atomi o molecole di sostanze.
L’ozono può infatti reagire con il gruppo ossidrile HOx, con ossidi di azoto e loro miscele NOx, con ossidi di cloro e loro miscele ClOx, ossidi di bromo BrOx e con qualunque altra specie reattiva presente a quell’altezza nell’atmosfera determinando prodotti di reazione che vedono coinvolte sostanze sia a livello atomico sia a livello molecolare. Cito a esempio l’idrogeno atomico [H] e molecolare [H2], l’ossigeno atomico [O] e molecolare [O2], lo stesso ozono [O3],  l’azoto atomico [N] e molecolare [N2], il cloro atomico [Cl] e molecolare [Cl2], l’ossigeno atomico [Br] e molecolare [Br2] e altre possibili specie reattive …
Consideriamo inoltre che al termine di un ciclo di reazione ne può, e solitamente avviene, iniziare un altro che coinvolge sia le sostanze appena prodotte dal ciclo di reazione, sia sostanze presenti che non hanno ancora partecipato ad alcun ciclo di reazioni, sia sostanze che stanno reagendo tra loro, il che determina, come è facile intuire, una situazione alquanto complessa.
A ciò si aggiunge il fatto che tutte reazioni che avvengono nell’atmosfera possono avere cicli di reazioni chimiche diversi a seconda dell’altezza in cui hanno luogo. La stessa altezza influenza infatti sia la concentrazione della specie chimica reattiva implicata sia la ripartizione tra molecole di ozono e gli atomi di ossigeno nell’arco delle 24 ore, in quanto le reazioni di fotolisi (7) hanno un peso diverso dovuto all’alternanza della radiazione solare nel corso del giorno e della notte.

Se nell’aria presente ai vari livelli della stratosfera, che è considerata comunque particolarmente pulita, avvengono costantemente tante reazioni chimiche così variegate e complesse, immaginiamo che cosa può accadere, chimicamente parlando, nella bassa troposfera e a livello del suolo visto che a tutto ciò che troviamo nella stratosfera dobbiamo aggiungere la presenza di tutte quelle sostanze  chimiche associate all’inquinamento atmosferico e in particolare quelle che contribuiscono alla creazione e al mantenimento dello smog fotochimico, comunque presente oramai ovunque, in particolar modo nelle realtà caotiche delle grandi città.

Vediamo ora, senza addentrarci in formule e spiegazioni complesse, come influiamo sull’ambiente quando teniamo acceso il motore della nostra automobile inutilmente o teniamo un numero di giri dello stesso motore elevato, oppure quando esageriamo con il riscaldamento nelle nostre abitazioni, o quando produciamo rifiuti in eccesso, ovvero quando teniamo un atteggiamento poco rispettoso dell’ambiente producendo quello che viene definito “inquinamento atmosferico”.
Con questa espressione indicano tutti gli agenti chimici, fisici e biologici che modificano le caratteristiche naturali dell’atmosfera.

Tale tipo di inquinamento avviene quando si ha una modificazione dei parametri chimici e fisici dell’ambiente con conseguente variazione, all’interno dello stesso, dei rapporti quantitativi e qualitativi di sostanze già presenti. Tale modificazione può realizzarsi con l’introduzione/produzione di composti estranei all’ambiente stesso (inquinamento primario) oppure attraverso la trasformazione/produzione chimiche di sostanze già presenti in esso (inquinamento secondario). A tutto ciò aggiungiamo un ulteriore fattore inquinante che identifichiamo come “particolato atmosferico”, cioè l’insieme di particelle sospese in aria che hanno dimensioni variabili da pochi nm a 100 µm.

In atmosfera troveremo quindi i composti dello zolfo, dell’azoto, del carbonio, degli alogenati e i cosiddetti radicali liberi. Iniziamo da questi ultimi, così definiti in quanto hanno libero un atomo o un gruppo di atomi contenente almeno un elettrone dispari che, occupando un solo orbitale, è “eccitato” e quindi particolarmente reattivo nei confronti di gran parte dei composti organici e inorganici. Tra i radicali liberi vi sono il radicale ossidrile [OH], l’idroperossido [HO2] e il radicale nitrato [NO3], tutti composti fotosensibili che reagiscono diversamente a seconda della radiazione solare.
Quanto ai composti dell’azoto, sono tutte quelle sostanze che contengono azoto. Tra gli inquinanti si segnalano il monossido di azoto [NO] e il biossido di azoto [NO2]: il primo è  prodotto da tutti i processi di combustione determinati da sorgenti naturali e antropiche, mentre il secondo si forma per ossidazione del primo.
Tra i composti dello zolfo citiamo il biossido di zolfo [SO2], che costituisce il 95% del totale delle emissioni antropiche di zolfo. Esso deriva da processi di combustione e la sua quantità è in concentrazione proporzionale al contenuto di zolfo del combustibile usato.
Tra i composti del carbonio segnalo il monossido di carbonio [CO] e il biossido di carbonio (detto anche anidride carbonica) [CO2]: quest’ultimo deriva da processi di combustione. Nei composti del carbonio sono compresi gli idrocarburi.
I composti alogenati contengono cloro [Cl] e [Cl2], bromo [Br] e [Br2] e fluoro[F] e [F2] negli specifici composti associati a idrogeno [H] e carbonio [C].

In sintesi, in atmosfera, in particolar modo nella bassa troposfera, vi sarà la presenza di inquinanti quali: il monossido di carbonio emesso da processi di combustione di idrocarburi specie quando la combustione è incompleta; il biossido di carbonio, anch’esso prodotto da processi di combustione di idrocarburi a eccezione della combustione del metano; i clorofluorocarburi, prodotti antropicamente; il diossido di zolfo, proveniente da dalla combustione di carburanti contenenti zolfo (es. nelle centrali elettriche e durante la fusione di metalli e in altri processi industriali); e, infine, i metalli pesanti (es. piombo, cromo, ecc).

Segnalo inoltre gli ossidi di azoto, in particolare il monossido di azoto che interagisce con l’ozono presente in dell’atmosfera, ossidandosi, dando vita al diossido di azoto particolarmente irritante per gli occhi e per le vie aeree; inoltre reagiscono con gli idrocarburi presenti generando lo smog fotochimica. E’ da notare la presenza dello stesso ozono, una sostanza chimicamente fotosensibile, che partecipa a innumerevoli reazioni con le sostanze con cui viene a contatto.
A rendere la situazione ancor più complessa, a livello della bassa troposfera è la presenza dei VOC (8) - Volatile Organic Compounds - (o COV composti organici volatili) che comprendono composti chimici organici (es. Benzene) provenienti da carburanti, solventi, vernici, e altri prodotti che trattiamo quotidianamente.

Come diceva una pubblicità, “tutto si muove intorno a noi”: ma qui si intende in un altro senso … di fatto viviamo quotidianamente in una sorta di gigantesco reattore chimico da cui, purtroppo, non possiamo uscire e in cui tutto è in continuo movimento. Mentre camminiamo, ci muoviamo, trascorriamo la nostra vita, vicino a noi e/o a contatto con noi avvengono contemporaneamente innumerevoli reazioni chimiche, elementi cambiano stato, si aggregano, si dissociano e tutto ci appare imperturbabile tranne quando questo inquinamento danneggia la nostra salute o il nostro ambiente di vita.
Per questo è importante che ciascuno di noi dia il suo contributo per un uso razionale delle risorse che abbiamo a disposizione e osservi, nel loro utilizzo, una gestione oculata. Se la nostra autovettura o il nostro impianto di riscaldamento inquina il meno possibile, avremo meno VOC dispersi in ambiente, così come se utilizziamo meno prodotti chimici possibili.
E gli scarichi in atmosfera? Pensiamo che più sono in alto più sono interessati dalle correnti d’aria che li disperdono nelle parti alte dell’atmosfera: di conseguenza, con l’emissione “alta” dei loro prodotti contribuiscono a un minor inquinamento a livello del suolo. Non si può, ovviamente, fare ciò con gli scarichi delle autovetture, ma con tutti gli impianti di riscaldamento civile e industriale e con gli scarichi degli stabilimenti industriali ciò è attuabile.
Si auspica quindi che tutti, ma soprattutto chi ha la possibilità di intervenire a livello istituzionale e/o decisionale, non solo acquistino piena consapevolezza dei rischi che corriamo, ma si impegnino a trovare soluzioni sostenibili e diffondano una cultura mirata alla difesa dell’ambiente e della salute dei cittadini.





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1 L’atmosfera viene tradizionalmente suddivisa in cinque strati: troposfera, stratosfera, mesosfera, termosfera ed esosfera. La troposfera è la fascia dell'atmosfera a diretto contatto con la superficie terrestre, e ha uno spessore variabile a seconda della latitudine.
2 Un manometro corrisponde a un milionesimo di millimetro.
3 La radiazione ultravioletta (UV o raggi ultravioletti) è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda inferiore alla luce visibile. L’UV può essere suddiviso in UV vicino (380-200 nm) e UV estremo (200-10 nm). Quando si considera l'effetto dei raggi UV sulla salute umana, la gamma delle lunghezze d'onda UV è in genere suddivisa in UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) e UV-C (280-100 nm). Il Sole emette luce ultravioletta in tutte e tre le bande UV-A, UV-B e UV-C, ma a causa dell'assorbimento da parte dell'atmosfera terrestre, in particolare lo strato di ozono, circa il 99% degli ultravioletti che arrivano sulla superficie terrestre sono UV-A, praticamente il 100% degli UV-C e il 95% degli UV-B è assorbito dall'atmosfera.
4 Antropocene è un termine coniato nel 2000 dal Premio Nobel Paul Crutzen per definire l'era geologica attuale, a far data dall’inizio dell’era industriale, in cui l'uomo e le sue attività sono le principali fautrici delle modifiche climatiche mondiali.
5 La vibrazione molecolare è quel movimento proprio degli atomi costituenti la molecola e caratteristico di ogni singola molecola.
6 I cicli di reazione sono quei fenomeni, spesso transitori, che hanno luogo durante una reazione chimica. I parametri che danno luogo a una reazione sono fondamentali per la realizzazione della stessa infatti può variare o rallentare fino a fermarsi o addirittura a regredire se non sono soddisfatte una serie di condizioni, come la presenza dei reagenti in misura adeguata e condizioni di temperatura, pressione e luce adatte alla specifica reazione.
7 La fotolisi è un processo di una reazione chimica per la quale un composto subisce una variazione nella sua composizione dall'assorbimento di radiazione elettromagnetica, solitamente compreso nello spettro di luce ultravioletta.
8 I VOC sono i composti organici volatili che includono gruppi diversi con comportamenti fisici e chimici diversi. Si classificano come VOC, infatti, sia gli idrocarburi contenenti carbonio ed idrogeno come unici elementi sia composti contenenti ossigeno, cloro o altri elementi tra il carbonio e l'idrogeno, come gli aldeidi, eteri, alcool, esteri, clorofluorocarburi (CFC) ed idroclorofluorocarburi (HCFC). Vengono definiti come composti organici volatili qualsiasi composto organico che abbia a 293,15 K (20 °C) una pressione di vapore di 0,01 kPa o superiore (definizione dell'art 268 del D.Lgs. 152/2006 e successive modifiche e integrazioni.






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