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L’atmosfera

Il dramma della vita è come uno spettacolo di marionette nel quale palcoscenico, scene e attori sono fatti dello stesso materiale.

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Presentation Transcript

  1. Il dramma della vita è come uno spettacolo di marionette nel quale palcoscenico, scene e attori sono fatti dello stesso materiale. Gli interpreti hanno le loro entrate e le loro uscite, ma le uscite sono una sorta di traslazione nella materia del palcoscenico e le entrate una trasformazione della scena. Così scena e attori sono legate insieme nella stretta associazione di un’intima rappresentazione. Se noi volessimo catturare lo spirito del testo, la nostra attenzione non dovrebbe essere assorbita dai soli protagonisti ma estendersi anche alla scena da cui sono nati, sulla quale interpretano la loro parte e nella quale, in un attimo, si confondono ancora. William Shakespeare, e A.Lotka, Elements of Physical Biology (1929) Atmosfera

  2. L’atmosfera Atmosfera

  3. L’aria è una sospensione colloidale (Schmauss e Wigand, 1929) A. Schmauss, A. Wigand. Die Atmosphare als Kolloid. Vieweg & Son, Braunschweig,1929 L’atmosfera L’atmosfera • Fase gassosa • Particelle solide • Particelle liquide • Combinazione di solido e liquido Atmosfera

  4. L’atmosfera Profilo verticale dell’atmosfera La zona maggiormente interessata dalle attività umane è la troposfera (da 0 a 10-15 Km), anche se gli scambi fra troposfera e stratosfera producono modificazioni nella composizione chimica ad altitudini ben più elevate (strato dello ozono). Atmosfera

  5. Espressioni di concentrazione in atmosfera L’atmosfera Rapporto di mescolamento (mixing ratio). È definito come il rapporto fra la quantità o la massa di un componente rispetto a quella totale: Dato che la concentrazione è in funzione di p e T il mixing ratio, che è una frazione molare è più adatto per l’espressione delle concentrazioni in aria. Dato che il vapor d’acqua può entrare nel valore ctotale, spesso si esprime x rispetto all’aria secca. Il mixing ratio si esprime in ppm (mmol·mol-1), ppb (nmol·mol-1) e ppt (pmol·mol-1). Si può specificare se il dato è espresso in unità di volume (ppmv) o di massa (ppmm) Atmosfera

  6. Espressioni di concentrazione in atmosfera L’atmosfera Spesso si esprimono le concentrazioni in unità di massa: mg.m-3. Conversione da x a mg.m-3: Atmosfera

  7. Tempo di residenza L’atmosfera dQ = (Fin – Fout) + (P – R) dt In un definito volume di aria, il bilancio di massa di una specie è dato da: Fin Velocità ingresso Fout Velocità uscita _ P Velocità emissione R Velocità rimozione _ + Velocità di accumulo = Detta Q la massa di sostanza nel volume di aria, sarà Detta Q la massa di sostanza nel volume di aria, sarà Atmosfera

  8. Tempo di residenza L’atmosfera = 0 dQ dQ = (Fin – Fout) + (P – R) dt dt In condizioni di stato stazionario: Fin + P= Fout + R Se il volume considerato è tutta l’atmosfera, allora Fin e Fout = 0 Il tempo di residenza è quindi dato da: Atmosfera

  9. Tempo di residenza L’atmosfera Il tempo di residenza t esprime il tempo medio di permanenza di una specie chimica in atmosfera (o in altro sistema) prima di venire rimossa. Se Q è la massa totale della specie, R è la velocità di rimozione della specie e P la sua velocità di immissione, in condizioni stazionarie avremo che P= R. In queste condizioni Il tempo di residenza è definito da: Atmosfera

  10. Composizione media dell’atmosfera L’atmosfera Gas Mix.R Tempo Ciclo ppm di residenza Ar 9340 - Nessuno Ne 18 - Nessuno Kr 1.1 - Nessuno Xe 0.09 - Nessuno N2 780840 106 yr Biologico e microbiologico O2 209460 10 yr Biologico e microbiologico CH4 1.72 7 yr Biogenico e chimico CO2 355 15 yr Antropogenico e biogenico CO 0.06(SH)-0.12(NH) 65 d Antropogenico e chimico H2 0.58 10 yr Biogenico e chimico N2O 0.311 10 yr Biogenico e chimico SO2 10-5-10-4 40 d Antropogenico e chimico NH3 10-4 -10-3 20 d Biogenico, chimico, rainout NO+NO2 (NOx) 10-6-10-2 1 d Antropogenico e chimico O3 10-2-10-1 ? Chimico HNO3 10-5-10-3 1 d Chimico e rainout H2O Variabile 10 d Chimico-fisico He 5.2 10 yr Chimico-fisico Atmosfera

  11. Ciclo dello zolfo L’atmosfera SO42- hn,O OH SO2 tropopausa OH· + CS2 SCSOH SCSOH + O2  OCS + SO2 +H H2O2 S(IV) S(VI) O3 OH OCS OCS -2 CS2 OH, NO3 SO42- OH DMS SO2 H2S Altro S(VI) Altro S(IV) Atmosfera

  12. Flussi di zolfo nella biosfera L’atmosfera L’emissione globale di zolfo (escluso il sale marino) è stimata fra 98 e 120 Tg(S) all’anno. L’attività umana è responsabile del 75% dell’emissione totale. Il 90% delle emissioni antropiche è nell’emisfero Nord Atmosfera

  13. Impatto delle attività umane L’atmosfera Stima delle emissioni globali di zolfo e CO2 dal 1860 ad oggi Atmosfera

  14. Composti gassosi dello zolfo L’atmosfera Composto Luogo (ppt) H2S Superficie marina 3.6-7.5 Regioni costiere 65 Foreste 35-60 Zone umide 450-840 Troposfera (2-5Km) 6-8.5 CH3SCH3 Superficie marina 80-110 Superficie continentale 8-60 Troposfera (2-5Km) 1.5-15 CS2 Superficie marina 2-18 Superficie continentale 35-120 Troposfera (2-5Km) 5-7 OCS Superficie marina 500 Superficie continentale 545 Troposfera (totale) 500 SO2 Superficie marina 20 Troposfera (<5Km) Nord 50 Continentale pulita 160 Costiera Europea 260 Continentale inquinata 1500 Atmosfera

  15. Ciclo dell’azoto L’atmosfera O3 O(1D) OH HNO3 HNO3 N2O NO2 NO hn hn tropopausa trasporto trasporto O3 OH combustione N2O NO2 NO N2 N2 fulmini hn OH H2O H2O NO3- denitrificazione NH4+ NH3 fissazione deposizione deposizione Atmosfera

  16. Effetto antropico sui livelli di NOx L’atmosfera Atmosfera

  17. L’ammoniaca L’atmosfera L’ammoniaca è uno dei gas principali dell’atmosfera e, dopo l’azoto e l’ossido nitroso (N2O), è il più abbondante composto contenente azoto. Le fonti più importanti (67% del totale) sono di natura antropica: attività agricole (deiezioni animali e fertilizzazione) e emissioni industriali. NH3 ha tempi di residenza bassi, viene rapidamente assorbito sulla superficie dell’acqua o del suolo. La deposizione secca e umida di NH3 e NH4+ sono il principale meccanismo di rimozione dell’ammoniaca Atmosfera

  18. Composti semplici del carbonio L’atmosfera Atmosfera

  19. Composti organici volatili (VOC) L’atmosfera Col termine composti organici volatili, si intende l’insieme dei composti organici presenti nella fase vapore dell’atmosfera. In questa categoria si contano fino a circa 600 diversi composti. La combustione incompleta nei motori degli autoveicoli è una delle fonti principali di queste sostanze. VOC di origine naturale La vegetazione emette una grande varietà di composti organici. L’ISOPRENE (500 Tg/yr)e diversi MONOTERPENI(130 Tg/yr), sono fra le sostanze maggiormente emesse e che consentono di definire l’apporto biogenico alla composizione atmosferica Atmosfera

  20. Composti alogenati L’atmosfera Composto Nome Mix. Ratio Massa Tempo di vita Fonte comune (ppb) Tg (anni) CFCl3 CFC-11 0.268 6.2 50 A CFCl2 CFC-12 0.503 10.3 102 A CF2ClCFCl2 CFC-113 0.082 2.6 85 A CF2ClCF2Cl CFC-114 0.02 300 A CH3Cl 0.6 5 1.5 N,CB CF4 0.07 0.9 50000 A Atmosfera

  21. Ozono L’atmosfera L’atomo di ossigeno reagisce rapidamente con l’ossigeno molecolare in presenza di una terza molecola (M), di solito N2 o O2 L’ozono si forma nella stratosfera dove la radiazione solare dissocia lentamente l’ossigeno molecolare Atmosfera

  22. Meccanismi di distruzione dell’ozono L’atmosfera La rimozione per reazione chimica inizia con la produzione di una specie reattiva capace di attaccare la molecola di ozono Una fra le specie più attive è l’atomo di Cloro, che si forma per fotolisi dei CFC: C’è anche un composto naturale CH3Cl che, avendo un lungo tempo di residenza (1.5 Yr) può raggiungere la stratosfera dove subisce fotolisi per dare un atomo di cloro. Atmosfera

  23. Meccanismi di distruzione dell’ozono L’atmosfera Il cloro attiva una reazione catalitica che porta rapidamente alla dissociazione dell’ozono Si stima che ogni atomo di cloro riesca a rimuovere fino a 100 000 molecole di ozono Atmosfera

  24. Meccanismi di formazione dell’ozono in troposfera L’atmosfera Nella troposfera l’ozono rappresenta un tipico contaminante gassoso la cui presenza è legata a processi di formazione fotochimica in-situ che coinvolgono l’ossido di azoto, attivati dalla luce solare, e all’intrusione di ozono dagli alti strati atmosferici Dopo che si è formato l’ozono torna a reagire con NO, il processo è favorito nelle ore notturne Atmosfera

  25. Il particolato atmosferico L’atmosfera Per particolato atmosferico si intende qualsiasi sostanza, ad eccezione dell’acqua, che esiste in forma liquida o solida in atmosfera in condizioni normali e di dimensioni microniche o submicroniche ma maggiori delle dimensioni molecolari (~2Å) Una particella di aerosol può essere costituita da una singola unità continua solida o liquida, contenente numerose molecole tenute insieme da forze di interazione inter-molecolari. Una particella può essere costituita da un numero variabile di tali unità strutturali, comportandosi dal punto di vista fisico (sospensione o deposizione), come una particella unitaria. Atmosfera

  26. L’aerosol atmosferico L’aerosol è diviso in due classi dimensionali AEROSOL GROSSOLANO: diametro > 2.5 mm AEROSOL FINE: diametro < 2.5 mm NUCLEI MODE: 0.005-0.1 mm AEROSOL FINE ACCUMULATION MODE: 0.1-2.5 mm Atmosfera

  27. L’aerosol atmosferico: distribuzione dimensionale Atmosfera

  28. Origine del particolato atmosferico L’atmosfera Particelle solide Erosione minerale Goccioline di acqua + cristalli di sale Spray marino Condensazione di vapori Atmosfera

  29. Meccanismo di formazione dello spray marino L’atmosfera Atmosfera

  30. Dimensioni e concentrazione dell’aerosol L’atmosfera Atmosfera

  31. L’aerosol atmosferico FONTI ANTROPICHE: QUANTITÀ IN Tg/ANNO Atmosfera

  32. L’aerosol atmosferico QUANTITÀ IN Tg/ANNO FONTI NATURALI:

  33. L’atmosfera • FONTI NATURALI ~ 2000 Tg/Y (1135 < 2.5 mm) • FONTI ANTROPOGENICHE ~ 400 Tg/Y (280 < 2.5 mm) Atmosfera

  34.        L’aerosol atmosferico I CCN (Cloud Condensation Nuclei) sono una particolare classe di particelle di aerosol che, agendo come nuclei di condensazione, consentono la formazione di nubi e nebbia Atmosfera

  35. L’aerosol atmosferico Data una certa massa di materiale solubile nella particella esiste un valore critico di sovrasaturazione del vapor d’acqua, al di sotto del quale la particella rimane stabile e al di sopra del quale cresce spontaneamente per diventare una gocciolina di nube (c.a. 10 mm di diametro) Atmosfera

  36. L’aerosol atmosferico Equazione di Kohler Effetto della curvatura(Kelvin) Effetto soluto Atmosfera

  37. L’aerosol atmosferico Aumento della pressione parziale di H2O in seguito alla curvatura della superficie Riduzione della pressione di vapore all’equilibrio all’aumentare della concentrazione di soluto Atmosfera

  38. L’aerosol atmosferico EFFETTO SUL CLIMA Diffusione e assorbimento della radiazione solare DIRETTO INDIRETTO Formazione di nubi: CCN Atmosfera

  39. Stati di mescolamento L’aerosol atmosferico External Mixture Internal Mixture Soot (NH4)2SO4 NaCl Atmosfera

  40. Stati di mescolamento L’aerosol atmosferico Particelle meno igroscopiche Internal Mixture Particelle più igroscopiche Atmosfera

  41. L’aerosol atmosferico Fonte: Technical Summary of the Working Group I Report. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2001. http://www.ipcc.ch

  42. L’aerosol atmosferico: la componente carboniosa Le particelle carboniose in atmosfera consistono di due componenti principali: Carbonio elementare (EC) ha come unica fonte di produzione la combustione ed è quindi, tipicamente, un aerosol primario Carbonio organico (OC) È direttamente emesso come aerosol primario da diverse fonti naturali o antropogeniche o deriva da reazioni in atmosfera a partire da composti precursori aerosol secondario Atmosfera

  43. Fonti e composizione L’aerosol carbonioso Il particolato organico è, in genere, una miscela complessa di molte classi di composti che può talvolta essere associata con carbonio elementare Carbonio elementare Composti organici volatili (VOC) Composti organici semi-volatili (SOC) Composti organici ad alto peso molecolare Atmosfera

  44. Carbonio elementare L’aerosol carbonioso Emissione da combustione di combustibili fossili Fonte: GEIA Global Emissions Inventory Activity http://weather.engin.umich.edu/geia/index.html

  45. Carbonio elementare L’aerosol carbonioso Emissione da combustione di biomassa Fonte: GEIA Global Emissions Inventory Activity http://weather.engin.umich.edu/geia/index.html Atmosfera

  46. Carbonio elementare L’aerosol carbonioso Emissione da combustione di biomassa

  47. Composti organici volatili (VOC) L’aerosol carbonioso Atmosfera

  48. EOM I composti organici nell’aerosol: la speciazione Oros e Simoneit (Appl. Geochem., 2001) Traccianti organici in prodotti di combustione di biomassa Identificati circa 250 composti…… …..che rappresentano dal 3 al 9 % del C organico totale! Atmosfera

  49. EOM I composti organici nell’aerosol: la speciazione In genere la determinazione dei costituenti organici, effettuata con le tecniche convenzionali di estrazione con solvente, porta alla quantificazione di non più del 10% del Carbonio Totale Atmosfera

  50. Inquinanti atmosferici L’atmosfera • Composti dello zolfo • Composti dell’azoto • Composti del carbonio • Composti clorurati • Sostanze tossiche • (Composti radioattivi) Si possono distinguere: INQUINANTI PRIMARI: emessi direttamente dalla fonte INQUINANTI SECONDARI: derivanti da interazioni chimiche fra gli inquinanti primari e i comuni costituenti atmosferici Gli inquinanti possono essere presenti sotto forma di gas o di particelle liquide o solide. Atmosfera

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