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Composizione chimica dell'atmosfera

Paperino alle prese con la chimica...L'atmosfera: un involucro aeriforme che avvolge la Terra e che è trattenuto prevalentemente dalla forza di gravità; le parti più esterne, infatti, tendono ad essere, invece, intrappolate dal campo magnetico terrestre. Il suo peso totale è di oltre 5 milioni di miliardi tonnellate!


Arrivare a questo risultato non è poi così difficile. Se ci si accontenta di una stima, basta considerare che:

1) Al livello del mare, l'atmosfera ha una pressione media p di 101325 kg m-1 s-2
2) L'accelerazione di gravità media è g = 9.80635 m s-2
3) La superficie terrestre (supponendola esattamente sferica) è pari a circa S = 510x1012 m2

Pertanto la massa dell'atmosfera risulta m = (pxS)/g = 5.27x1018 kg = 5.27x1015 tonnellate, ovvero 5270 seguito da 12 zeri...

Non a caso abbiamo usato il termine “aeriforme” per descrivere l'atmosfera: infatti essa è un miscuglio di gas, vapore e polveri di vario genere e natura. In particolare, c’è differenza tra gas e vapore, due termini troppo spesso confusi: entrambi possiedono la caratteristica (come tutte le sostanze aeriformi) di tendere a occupare tutto il volume che hanno a disposizione, ma un gas si distingue da un vapore in quanto non può essere convertito in liquido solo comprimendolo. Un gas si trova cioè, per definizione, al di sopra di quella che viene chiamata “temperatura critica” oltre la quale, per quanto lo si comprima, non passerà mai allo stato liquido.

Sia l’aria che respiriamo, sia quella che si trova a migliaia di km di altezza contiene, in generale, moltissime sostanze sottoforma di particelle che possono trovarsi allo stato liquido, solido o gassoso, di varia tipologia e composizione chimica. Ognuna di queste sostanze partecipa, in modo più o meno rilevante, a svariati processi chimici e fisici, interagendo con le restanti e, più in generale, con il resto del sistema Terra-Atmosfera. L’uomo, o altre cause naturali, le immettono in qualche modo nell’aria; ma la concentrazione di ciascuna sostanza, spesso diversa secondo l’area geografica o la quota, va ricercata nell’equilibrio dinamico tra le quantità immesse e quelle, invece, rimosse da altri processi.

Da tenere presente che anche gli elementi o i composti presenti in piccolissime quantità possono avere la loro importanza sulla comprensione del comportamento dell’atmosfera e della sua interazione con l’ambiente, con il clima e con i sistemi biologici (uomo compreso) e molte di queste sostanze sono immesse nell’aria proprio dall’uomo o sono dalle attività di quest’ultimo influenzate.


Chiariamo dunque la situazione. L’atmosfera possiamo anzitutto suddividerla in tre gruppi, di cui i primi due sono relativi alla composizione dell’aria secca (cioè senza vapore acqueo):

1) Componenti principali

La sostanza più presente nell’atmosfera terrestre è l’azoto sottoforma biatomica (N2)(1) e ne rappresenta il 78% del volume. Tra le fonti che arricchiscono di azoto l’aria ricordiamo le decomposizioni organiche e le eruzioni vulcaniche. Gli atomi nella molecola sono legati in modo molto forte e ciò lo rende molto stabile, per cui ha una scarsa tendenza a reagire con altre sostanze.
E' importantissimo in alcuni processi biologici (come la “fissazione dell’azoto” operata da alcuni batteri, che formano nitrati che le piante possono assimilare), ma ha una scarsa importanza diretta in Meteorologia se non per il suo contributo al peso dell’atmosfera e per le proprietà elettricamente isolanti. Discorso simile per l’ossigeno molecolare (O2, 21%) che raggiunge quasi ¼ del volume atmosferico e non è direttamente rilevante ai fini meteorologici (sebbene sia fondamentale per l’attività biologica e prenda parte a numerosi processi chimici). Infine l’argo (Ar, 0.95%) che è un gas nobile e quindi inerte, molto stabile.


2) Componenti in tracce

Sono numerosissimi i componenti minoritari molti dei quali svolgono ruoli importanti anche in quello biologico e per la salute. È necessaria allora un’ulteriore classificazione, secondo le loro proprietà, il loro comportamento o la loro influenza sul clima.(2) Possiamo così distinguere:

  • I gas serra: intercettano (e in parte riemettono) la radiazione infrarossa emessa per irraggiamento dalla Terra. Questa “controradiazione” fa sì che il calore associato alla radiazione resti “intrappolato” nell’atmosfera stessa, riscaldandola. Per questo la temperatura media è di circa 15°C. Altrimenti avremmo una temperatura media decisamente inferiore (di circa 30°C!). I principali gas serra sono: il biossido di carbonio (CO2, circa 0.03%, ma ricordiamo che l’uomo ne provoca una forte produzione dovuta ai processi di combustione per l’approviggionamento di energia). Sorgenti naturali di anidride carbonica possono essere la decomposizione organica e la respirazione delle piante, ma può essere riassorbito dalle stesse piante durante la fotosintesi e dagli oceani; poi abbiamo il metano (CH4) proveniente essenzialmente da cause organiche (estrazione del carbone e del petrolio, fermentazione e combustione di sostanze biologiche) mentre la sua “rimozione” (o “pozzo”, come si dice in contrapposizione a “sorgente”) è causata soprattutto dalle reazioni chimiche con il cosiddetto Radicale Ossidrile (OH). Si trova soprattutto nella Troposfera e vari studi effettuati mediante carotaggio nel ghiaccio sia artico che antartico hanno dimostrato che nel corso della storia del nostro pianeta il metano ha avuto una concentrazione variabile, con dei massimi in corrispondenza delle ere interglaciali. Oggi la concentrazione media di metano è pari a circa 1.785 ppm(3) pertanto, pur avendo un potere come gas serra molto maggiore di quello della CO2, la sua “relativa” scarsa quantità lo rende meno importante (ma non trascurabile!) rispetto a quest’ultimo; il protossido d’azoto (N2O, in media 0.31 ppm, ma è maggiore nell’emisfero settentrionale) proviene dall’attività batterica nel suolo, dall’uso di alcuni fertilizzanti e dall’utilizzo dei combustibili fossili. Quasi tutto il protossido di azoto deve attendere di riuscire ad arrivare nella Stratosfera per poter essere distrutto tramite processi di fotolisi (dissociazione della molecola per opera della luce solare); ma l’elenco non finisce qui! Tra i gas serra possiamo ricordare infatti anche il biossido di zolfo (SO2), l’ozono troposferico (O3) , i CFC (clorofluorocarburi), l’esafluoruro di zolfo (SF6) e tanti altri…

  • I gas reattivi: si distinguono essenzialmente per la loro capacità di reagire con altri elementi o composti influenzando in modo importante la distribuzione e composizione chimica propria o degli altri. L’ozono (O3) assorbe gran parte dei raggi ultravioletti del Sole, letali per tutte le forme di vita sulla Terra. Come si può notare la sua molecola è costituita da tre atomi di ossigeno. Il legame che li tiene uniti è però piuttosto delicato e il suo comportamento è totalmente differente dall’ossigeno biatomico (tanto da risultare tossico). L’ozono si forma in questo modo: le radiazioni ultraviolette scindono l’ossigeno biatomico formando due atomi di ossigeno libero. Quando gli atomi di ossigeno (O) si “scontrano” con le molecole di ossigeno (O2) allora si fondono e formano l’ozono (O3).
    Tale reazione non è facile e serve un opportuno catalizzatore.(4) Nell’atmosfera, comunque, di ozono ce n’è pochissimo e la sua maggior concentrazione si trova tra i 10 e i 50 km di quota (il massimo è intorno ai 25 km). Questo perché a queste quote si realizza il “miglior” equilibrio tra la quantità di radiazioni ultraviolette necessarie per spezzare l’ossigeno molecolare e una densità d’aria ancora sufficiente a garantire un numero di collisioni tra ossigeno atomico e molecolare. Il monossido di carbonio (CO) rappresenta un classico esempio dei prodotti dell’inquinamento dovuto alle attività umane. Sebbene, infatti, non manchino “fonti” naturali di questo composto (come ad esempio i processi di ossidazione(5) del metano o degli idrocarburi di origine vegetale) la maggior parte di CO immesso nell’atmosfera è dovuto al nostro consumo di combustibili fossili. Abbiamo già parlato dell’azoto molecolare, la sostanza di gran lunga più presente nell’aria che respiriamo. Ma l’azoto, come elemento, è presente anche sotto altre forme in numerosi composti. Abbiamo allora il monossido di azoto (NO) e il biossido di azoto (NO2) la cui origine è quasi esclusiva prerogativa della combustione ad elevate temperature di combustibili fossili (intorno ai 1200°C l’azoto può combinarsi con l’ossigeno) specie quelli usati nei trasporti; pertanto la loro concentrazione, come si può intuire, è massima presso i centri abitati e industrializzati. Molto minore è l’apporto naturale (batteri, fulmini, incendi). NO ed NO2 vengono spesso indicati con il generico simbolo NOx in quanto l’NO, appena viene rilasciato in atmosfera si combina subito con l’ossigeno formando l’NO2, cosicché i due composti compaiono in pratica sempre insieme, in equilibrio. La principale causa di “eliminazione” degli NOx è dovuta ad un’ulteriore ossidazione a formare acido nitrico (HNO3) e ioni nitrati (NO-3)(6) , i maggiori responsabili delle cosiddette “piogge acide”. Tra gli altri composti dell’azoto presenti in atmosfera si possono ricordare l’ammoniaca (NH3), l’acido nitroso (HNO2), ed altri ioni a base di azoto come i nitriti (NO-2) e gli ioni ammonio (NH+4). Altri composti reattivi sono quelli dello zolfo come l’acido solfidrico (H2S), il biossido di zolfo (SO2) e i solfati (SO=4) che, se da un lato, come nel caso dei composti dell’azoto, contribuiscono a favorire la condensazione del vapore, dall’altro sono anch’essi responsabili delle piogge acide. Ricordiamo anche il cosiddetto radicale ossidrile (OH), che è una molecola estremamente reattiva, essendo infatti coinvolta in numerosissime reazioni chimiche. Nell’atmosfera terrestre vi sono, infine, anche tracce di idrogeno molecolare (H2), ma tale sostanza non sembra avere una grande importanza.

  • Gli aerosol: sono classificabili come aerosol tutte le sostanze (esclusa l’acqua) in sospensione nell’atmosfera allo stato solido o liquido le cui singole particelle abbiano una dimensione superiore a quella molecolare. Il loro studio è estremamente complesso e prende in considerazione vari aspetti come la dimensione delle particelle, la composizione chimica, la morfologia e lo stato (liquido o solido). Si sente forse parlare più spesso di pulviscolo atmosferico e qui, come avrete intuito, si apre un mondo tutto proprio. Il pulviscolo può infatti comprendere svariate sostanze di origine biologica (come pollini o spore) o comunque naturale (si pensi al sale marino(7), che a volte può rimanere intrappolato nelle molecole d’acqua che evaporano, alle ceneri vulcaniche, ai nitrati, alle particelle cosmiche, ad altri sali) oppure materiale immesso dalle attività umane (fumi, polveri industriali, incendi, ulteriori nitrati e solfati). La rimozione dell’aerosol può invece avvenire per sedimentazione diretta sul suolo o tramite le precipitazioni. Molto importante è distinguere gli aerosol in base alla loro dimensione: questa è determinata dalla loro origine e determina il loro comportamento, la loro distribuzione, l’impatto ambientale e i sistemi da utilizzare per la loro misurazione. Vengono pertanto individuati 3 gruppi: i nuclei di Aitken (con diametro fino a 0.1 µm(8)), i nuclei grandi (da 0.1 µm a 2.5 µm) e i nuclei giganti. È importante sapere che le particelle di polvere e quelle chimiche ed organiche provenienti dal cosmo e dalla superficie terrestre hanno una particolare funzione nella formazione delle precipitazioni in quanto sono fondamentali per rendere possibile la condensazione del vapore acqueo nelle goccioline che poi vanno a formare nubi e precipitazioni. Particelle di fuliggine e di polvere sono presenti soprattutto negli strati inferiori dell’atmosfera, specie in prossimità dei centri urbani e industrializzati. Un forte inquinamento di esse ostacola l’irradiazione solare sulla superficie terrestre e, a lungo andare, può provocare un progressivo raffreddamento e pericolosi mutamenti climatici.

  • Le sostanze tossiche e i composti radioattivi: molte delle sostanze indicate in precedenza possono essere considerate tossiche, tuttavia qui vogliamo mettere in evidenza l’esistenza di tutta un’altra serie di sostanze che possono contenere metalli pesanti come piombo (Pb), mercurio (Hg), boro (B), nichel (Ni). Non dimentichiamoci poi dell’amianto, del benzene, del cloroformio e le sostanza radioattive naturali o dovute alle attività umane (interventi medici, guasto di centrali nucleari, processi industriali).

  • Altre sostanze: neon (Ne), elio (He), kripton (Kr), xenon (Xe), ecc.

     


3) Vapore acqueo

Il vapore acqueo (H2O) è presente in misura molto più variabile rispetto ai precedenti (la media è intorno all’1% sul volume totale, ma sulle regioni tropicali e in seno alle masse di aria calda può arrivare al 4%). Inoltre esso è determinante per i fenomeni meteorologici poiché è responsabile della formazione delle nubi e delle percipitazioni, è legato alle variazioni della temperatura e assorbe parte della radiazione infrarossa emessa dalla Terra (effetto serra) imprigionando calore che altrimenti andrebbe disperso nello spazio. Per tutte queste ragioni viene classificato separatamente, essendo importante distinguere tra aria secca (cioè priva di vapore acqueo) e umida.

Riassumendo, gli elementi di gran lunga più significativi riguardo ai fenomeni atmosferici sono:

  • il vapore acqueo (materia prima per la formazione di nubi e precipitazioni e regolazione dell’effetto serra);

  • il pulviscolo (necessario per la condensazione del vapore acqueo e quindi per consentire la formazione di nubi e precipitazioni; è costituito dagli aerosol);

  • l’anidride carbonica (fenomeno dell’effetto serra).


Note:

1. In chimica le molecole si indicano tramite i simboli degli atomi (elementi chimici) costituenti. Il pedice sta a rappresentare il numero degli atomi presenti di un certo elemento chimico. Così, ad esempio, con CO2 si vuole indicare il fatto che la molecola di anidride carbonica (più correttamente: biossido di carbonio) è composta da 2 atomi di ossigeno e 1 atomo di carbonio.

2. Naturalmente, in generale, possiamo avere dei componenti presenti in più di una categoria (ad esempio l’ozono può essere considerato sia un gas serra che un gas reattivo), tuttavia si sceglie di inserirli nella categoria che appare più opportuna e significativa in base alla caratteristica di maggior rilievo.

3. La sigla ppm sta ad indicare “parti per milione” e si riferisce alla quantità in volume. Quindi dire ad esempio 3 ppm di metano significa dire che se un dato volume lo suddividiamo in un milione di parti, 3 di queste parti saranno occupate dal metano.

4. Un catalizzatore è una sostanza che, pur non reagendo chimicamente con le altre sostanze in gioco (e quindi non viene “consumata”) favorisce una determinata reazione chimica.

5. In chimica, si dice che un elemento è “ossidato” quando subisce una sottrazione di elettroni. Spesso il nome ossidazione è applicato alla reazione tra un metallo che si combina con l’ossigeno per dare il corrispondente ossido. Poichè l’ossigeno ha la capacità di attrarre elettroni più di qualsiasi metallo, è quest’ultimo a subire una sottrazione di elettroni.

6. Di solito un elemento chimico o una molecola si presentano in forma elettricamente neutra, ovvero il numero di protoni presenti nei nuclei degli atomi (cariche elettriche positive) eguagliano, controbilanciandoli, il numero degli elettroni (cariche elettriche positive). Negli ioni questo equilibrio viene meno: tramite vari processi chimico-fisici è possibile “strappare” elettroni agli atomi (e si hanno gli ioni positivi in quanto la carica elettrica complessiva si “sbilancia” a favore dei protoni) oppure è possibile “aggiungere” elettroni (e si hanno gli ioni negativi).

7. Il sale marino è, come il salgemma (che però è estratto dalle miniere), il comune sale da cucina. Si tratta di cloruro di sodio (NaCl).

8. Il simbolo µm sta ad indicare il micrometro: 1 µm = 1 milionesimo di metro.