Valerio Moretti, Silvano Fares e Luca Salvati • Strumenti per la rilevazione e l’analisi dei gas presenti in atmosfera: un contributo agli studi sul cambiamento climatico
•• Ogni forma vivente che popola la terra, svolge la propria vita immersa in una miscela di gas denominata «aria». La composizione di questa miscela di gas è tale da consentire lo sviluppo delle più svariate forme di vita che formano il patrimonio di biodiversità vivente sulla terra.
Come è noto, le piante, contrariamente agli animali, hanno la capacità di sintetizzare la sostanza organica (fotosintesi clorofilliana) a partire da elementi semplici che si trovano appunto nell’aria insieme all’acqua assorbita dal terreno utilizzando come fonte di energia la radiazione solare. L’eccitazione della clorofilla (contenuta nei granuli in figura 1) da’ inizio ad una catena di trasporto di elettroni che porta alla formazione di zuccheri, primo tra tutti il Glucosio (C6 H12 O6), alla base di tutta la sostanza organica presente sulla terra. In un certo senso, la foglia è un efficiente laboratorio biochimico.
Per quanto riguarda la composizione dell’aria, alcuni elementi sono presenti in piccole quantità (traccia), ma tali devono rimanere, perché un aumento della loro concentrazione atmosferica può provocare alcune reazioni anomale da parte delle piante influenzando negativamente la capacità di fissare carbonio. Per l’appunto, non dimentichiamo che le piante, organismi autotrofi, forniscono sostanza organica agli animali e all’uomo, cosiddetti eterotrofi, che si nutrono di sostanza organica complessa e non sono in grado di produrla.
In particolare risulta interessante il monitoraggio del biossido di carbonio (CO2) per le sue implicazioni dirette nella fotosintesi, del metano (CH4) che contribuisce fortemente all’effetto serra e di conseguenza al riscaldamento globale, e dell’ozono (O3) per il suo contributo all’effetto serra e per l’azione dannosa come ossidante per piante e per l’uomo. In questo contributo si analizzano misure e strumenti specificamente rivolti alla valutazione quantitativa di questi composti, di particolare interesse sia dal punto di vista ambientale, sia da quello socio-economico.
La misura della CO2
La concentrazione della CO2 nell’aria influenza direttamente l’attività metabolica delle piante. Come riferito in precedenza, le piante svolgono due funzioni apparentemente contrastanti tra loro ma perfettamente integrate, la Respirazione e la Fotosintesi. Con la respirazione la pianta catabolizza sostanza organica per ricavare l’energia necessaria alla propria attività metabolica (assorbe ossigeno ed emette anidride carbonica) mentre con la fotosintesi, che può avvenire solo in presenza della luce, la pianta assorbe CO2 ed emette O2 contribuendo, tra l’altro, al mantenimento della dotazione di ossigeno nell’aria che altrimenti con la respirazione animale andrebbe inesorabilmente a diminuire.
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Figura 2. Analizzatori della concentrazione di CO2 di tipo chiuso |
Gli analizzatori della CO2 possono essere di tipo aperto quando la misura della concentrazione del gas viene effettuata a partire dall’assorbimento di radiazione infrarossa da parte della CO2 in un percorso esposto all’aria. Nel sistema chiuso (figura 2), il gas da misurare viene portato nella cella di rilevamento grazie all’ausilio di pompe. Questo secondo sistema ha lo svantaggio di dover far attraversare al campione d’aria una linea di campionamento, ma risulta particolarmente vantaggioso durante le precipitazioni atmosferiche, fenomeni che portano inevitabilmente ad interferenze nei sistemi di tipo aperto.
Per entrambi i sistemi di misura, l’output strumentale, ovvero l’attenuazione di radiazione infrarossa, è convertito in numero di molecole di CO2 per unità di volume (densità di numero in mol CO2 m-3) o in rapporto molare rispetto all’aria (mol CO2 mol-1). La strumentazione viene montata su degli apposti tralicci che sovrastano l’area in esame consentendo così di sovrastare lo strato di atmosfera in equilibrio con la vegetazione sottostante.
La misura del CH4
L’emissione di metano da parte del settore zootecnico e industriale aggrava il problema del riscaldamento globale poiché il metano è un potente gas serra. I dati osservati indicano che la concentrazione atmosferica di metano è più che triplicata dall’inizio dell’era industriale, essendo aumentata più del 150% dal 1700 (IPCC). Questa crescita è legata all’aumento della temperatura che determina un maggior rilascio di metano dalle terre ghiacciate e dalle zone umide dove aumentano le fermentazioni. L’impennata delle concentrazioni di metano è però da imputare soprattutto all’aumento delle emissioni dalle fonti antropiche tra cui quelle zoogeniche.
Il metano è un gas serra presente nell’atmosfera terrestre in concentrazioni molto inferiori a quelle della CO2 ma con un potenziale di riscaldamento globale ben 21 volte superiore. Misurare la concentrazione di CH4 in atmosfera assume quindi importanza per tenere sotto controllo la linea di tendenza nel corso degli anni, e valutare se gli sforzi attuali sono in grado di limitare l’impatto antropico e con esso di invertire l’attuale linea di tendenza positiva. Per quanto concerne la tecnica di misura di questo gas, essa si basa su tecniche di spettroscopia laser.
Misura dell’O3
L´ozono è un componente gassoso dell´atmosfera, molto reattivo e aggressivo, che negli strati alti dell’atmosfera terrestre (stratosfera) è di origine naturale e aiuta a proteggere la vita sulla terra creando uno scudo protettivo che filtra i raggi ultravioletti del sole. L’assottigliamento dello strato d´ozono nella parte alta dell´atmosfera è definito comunemente «buco dell’ozono» (figura 3).
Negli strati bassi dell´atmosfera terrestre (troposfera) è considerato un inquinante secondario che si forma per via fotochimica a partire da idrocarburi volatili e ossidi di azoto. L’esposizione ad alte concentrazioni di ozono provoca irritazioni all´apparato respiratorio e necrosi nelle foglie.
L’aumento di questo elemento in bassa troposfera è essenzialmente dovuto all’inquinamento veicolare i cui gas di scarico reagiscono in presenza della luce solare (smog fotochimico). Le più alte concentrazioni si rilevano, infatti, nei mesi più caldi e nelle ore di massimo irraggiamento solare (fra le ore 12.00 e 17.00). Nelle aree urbane o industriali (dove è forte la presenza di inquinanti) l´ozono si forma con grande rapidità, ma può essere trasportato da brezze anche in campagna e in aree verdi. L´inquinamento da ozono interessa intere regioni o nazioni e sono poco efficaci i provvedimenti locali o temporanei di limitazione del traffico e delle emissioni industriali. L’analizzatore di ozono sfrutta l’assorbimento di questo gas nell’UV e poi ne calcola la concentrazione mediante la legge di Lambert-Beer. Nella camera di misura entra in modo alternato aria ambiente tal quale ed aria ambiente preventivamente filtrata per l’ozono. Dall’alternanza delle misure con e senza ozono, lo strumento ne determina la concentrazione in aria ambiente.
L’acquisizione dei dati
Il monitoraggio dell’inquinamento atmosferico è basato su sensori e tecnologie in continua evoluzione, che forniscono una lettura precisa ed immediata dei dati che consente l’applicazione di metodi di controllo delle concentrazioni e dei flussi (Eddy Covariance) in modo continuo. Tutte le tecniche di misura devono necessariamente rispondere a regole piuttosto rigide per l’acquisizione dei dati, volte principalmente ad assicurare un’elevata accuratezza e comparabilità degli stessi in tutte le condizioni sperimentali possibili. Va anche notato come, seppure nel proliferare di stazioni di misura automatiche e amatoriali, le serie di dati di lungo corso, raccolte dalle stazioni appartenenti a reti di misura pubbliche o private operanti da lungo tempo, vanno ulteriormente protette e mantenute in vita per garantire l’acquisizione di una serie storica di dati che si prestano ad analisi quantitativo-modellistiche.
