Smog fotochimico


I gas emessi dal camino della centrale reagiscono con le altre sostanze presenti nell'atmosfera (in particolare con gli inquinanti di altre fonti).
Queste reazioni, attive soprattutto in estate, danno origine ad una serie composti, anche tossici, che aggravano gli effetti dell'inquinamento.

(da Nonsoloaria)

Il fenomeno

Lo smog fotochimico è un particolare inquinamento dell'aria che si produce nelle giornate caratterizzate da condizioni meteorologiche di stabilità e di forte insolazione. Gli ossidi di azoto (NOx) e i composti organici volatili (VOC), emessi nell'atmosfera da molti processi naturali od antropogenici, vanno incontro ad un complesso sistema di reazioni fotochimiche indotte dalla luce ultravioletta presente nei raggi del sole; il tutto porta alla formazione di ozono (O3), perossiacetil nitrato (PAN), perossibenzoil nitrato (PBN), aldeidi e centinaia di altre sostanze. Tali inquinanti secondari vengono indicati col nome collettivo di smog fotochimico perché sono generati da reazioni chimiche catalizzate dalla luce e costituiscono la componente principale dello smog che affligge molte città ed aree industrializzate. Questo particolare smog si può facilmente individuare per il suo caratteristico colore che va dal giallo-arancio al marroncino, colorazione dovuta alla presenza nell'aria di grandi quantità di biossido di azoto. I composti che costituiscono lo smog fotochimico sono sostanze tossiche per gli esseri umani, per gli animali ed anche per i vegetali, inoltre sono in grado di degradare molti materiali diversi per il loro forte potere ossidante.
Da notare che il termine smog deriva dall'unione di due parole inglesi: smoke (cioè fumo) e fog (nebbia). Inizialmente questa parola faceva riferimento esclusivo ad un tipo di inquinamento particolarmente diffuso nel passato: lo smog industriale, detto anche smog classico. Questo smog, di colore grigio-nerastro, era frequente nelle ore prossime all'alba, in condizioni di bassa insolazione, bassa velocità del vento e temperatura prossima a 0°C; quindi era più comune nella stagione autunnale ed invernale. Veniva prodotto quando il fumo ed il biossido di zolfo liberati nel corso della combustione del carbone si combinavano con la nebbia ed era talmente tossico da provocare decine di migliaia di morti ogni anno. A partire dagli anni '50, l'utilizzo di altri combustibili fossili e di altre fonti energetiche, ha ridotto di molto la frequenza e la gravità dei fenomeni di smog industriale.
In ogni caso l'impiego dei vari combustibili fossili costituisce ancora un pericolo per la salute dell'uomo e per l'integrità dell'ambiente a causa della possibilità che si instauri il fenomeno dello smog fotochimico, la forma d'inquinamento più diffusa nelle grandi città del pianeta.

Condizioni ambientali

Come accennato nel paragrafo precedente, lo sviluppo dello smog fotochimico è principalmente legato alla presenza di particolari condizioni meteorologiche e all'abbondanza di ossidi di azoto e di composti organici volatili nell'aria. In effetti perché si manifesti questo fenomeno devono verificarsi delle precise condizioni ambientali. Se questi requisiti persistono, allora si realizza il gran numero di reazioni chimiche che comporta la formazione dello smog fotochimico. Queste condizioni comprendono: I VOC costituiscono un gruppo di composti organici che evaporano rapidamente all'aria alle normali condizioni di pressione e temperatura. Questo gruppo comprende sostanze come il benzene, l'etanolo ed il tricloroetano e miscele come la benzina e la trementina. La loro presenza nell'aria è dovuta principalmente alla combustione incompleta dei combustibili fossili, all'evaporazione di solventi e di carburanti ed alla combustione del materiale vegetale. I VOC vengono anche prodotti in seguito alla volatilizzazione di composti organici naturali come i terpeni (gli eucaliptus, ad esempio, ne rilasciano una quantità significativa).
Gli ossidi di azoto vengono emessi principalmente nel corso dei processi di combustione, con le emissioni degli autoveicoli che utilizzano i combustibili fossili (sia benzina che gasolio), con la combustione di legna e gas in stufe e cucine e con l'incenerimento dei rifiuti. Una parte significativa di NOx deriva anche dagli incendi boschivi, dall'azione dei fulmini e dai vari processi microbiologici.
In ogni caso, le emissioni naturali di VOC e di NOx sono in genere diffuse in zone estese, tanto che i danni provocati da questi inquinanti risultano secondari. Al contrario le emissioni prodotte dall'uomo sono concentrate in aree ben definite. Gli ossidi di azoto ed i composti organici volatili sono infatti fra i componenti principali delle emissioni nelle aree urbane e le città poste nelle aree geografiche caratterizzate da radiazione solare intensa e temperatura elevata (ad es. quelle dell'area del Mediterraneo) costituiscono le candidate ideali allo sviluppo di episodi di inquinamento fotochimico acuto, soprattutto in estate, nelle ore centrali della giornata, in presenza di alta insolazione e bassa velocità del vento.

Diffusione

Lo smog fotochimico è apparso per la prima volta a Los Angeles negli anni '50, quando il fenomeno del traffico cominciò a crescere esponenzialmente: questa città fu la prima a costruire le grandi autostrade e a sviluppare la propria politica dei trasporti più sul parco macchine privato che non sui trasporti pubblici. Al giorno d'oggi fenomeni di smog fotochimico avvengono in molte altre città, fra cui Mexico City, San Paolo, Santiago del Cile, Tokyo, Sydney, Milano e Bangkok; tutte metropoli localizzate in zone che presentano spesso un grande inquinamento da traffico veicolare, alte intensità luminose ed elevate temperature (le condizioni ottimali per la formazione dello smog fotochimico). Lo smog risulta più diffuso nelle aree a grande densità abitativa proprio perché in queste zone risultano maggiori le emissioni che liberano nell'aria gli idrocarburi incombusti e gli ossidi di azoto, composti che ne rappresentano i precursori.
Il fenomeno può essere più frequente nelle città alle basse latitudini, caratterizzate da un clima particolarmente caldo; le città più a nord sono invece più soggette allo smog solo nei mesi estivi.
Le grandi città localizzate nelle valli sono più a rischio perché in queste zone le masse d'aria possono rimanere stagnanti anche per lungo tempo.
In ogni caso, sulla base della topografia della zona interessata e della direzione del vento predominante, lo smog fotochimico ha la capacità di spostarsi dall'area di produzione fino a centinaia di Km di distanza, colpendo così non solo ambienti urbani e suburbani, ma anche aree distali.
Purtroppo, dato che le reazioni che portano alla formazione dello smog fotochimico sono molto complesse, e visto che la sua diffusione è legata alle condizioni meteorologiche, risulta molto difficile prevedere l'evoluzione e la distribuzione geografica e temporale del fenomeno e prendere di conseguenza i dovuti provvedimenti.

La formazione

La formazione dello smog fotochimico consiste in una sterminata serie di reazioni che possono dar luogo a centinaia di composti diversi. In ogni caso per meglio comprendere molti meccanismi che regolano questo complesso fenomeno è bene focalizzare l'attenzione su poche reazioni fondamentali.
In genere, le condizioni che comportano il manifestarsi dello smog fotochimico si innescano durante il traffico di prima mattina quando le emissioni degli scarichi degli autoveicoli delle persone che vanno al lavoro contribuiscono all'aumento della presenza in atmosfera di idrocarburi e ossidi di azoto (monossido e biossido).
L'azione della luce del sole causa allo stesso tempo la fotolisi del biossido di azoto in monossido di azoto e un radicale ossigeno (NO2+luce del sole -> NO+O). Questa reazione avviene molto più velocemente man mano che aumenta l'irraggiamento solare.
Gli atomi di ossigeno che si formano nel corso di questa reazione possono poi reagire con le molecole di ossigeno presenti nell'aria per produrre l'ozono, incrementando così i livelli di ozono a livello del suolo (O+O2 -> O3).
L'ozono a sua volta può reagire con l'ossido nitrico per produrre biossido di azoto e ossigeno (O3+NO -> NO2+O2).
Queste tre reazioni costituiscono il cosiddetto ciclo fotostazionario dell'ozono e, di per sé, mantengono la concentrazione dell'ozono ad un livello stabile e non inquinante tramite un equilibrio dinamico. Il ciclo fotostazionario avviene solamente in presenza della luce del sole, di notte l'ozono viene infatti consumato nel corso di altri processi.
L'ozono può anche degradarsi per azione della luce UV e, assieme ad altre sostanze presenti nell'aria (come l'acido nitroso e la formaldeide) subisce fotolisi in un processo che comporta la produzione di radicali ossidrile (OH). I radicali OH reagiscono con gli idrocarburi volatili e gli ossidi di azoto presenti nelle emissioni di scarico degli autoveicoli formando varie sostanze come le aldeidi, i nitrati organici e gli idrocarburi ossidati (ROx). Gli ROx possono reagire con il monossido di azoto provocando l'aumento della concentrazione di biossido di azoto (NO+ROx -> NO2 + altri prodotti). La formazione di biossido di azoto tramite una via che non implica la rimozione dell'ozono troposferico (tipica del ciclo fotostazionario), fa sì che la concentrazione dell'ozono aumenti, fino al raggiungimento di valori che possono risultare tossici. Parte del biossido di azoto può reagire con vari idrocarburi volatili per formare composti chimici tossici come il perossiacetil nitrato (PAN).
Il risultato di tutte queste reazioni consiste in quello che viene definito smog fotochimico. Man mano che compare lo smog, la visibilità diminuisce per l'effetto di deviazione della luce provocato dagli aerosol che si formano.

Variabili implicate

La formazione e la diffusione dello smog fotochimico sono influenzate da diverse importanti variabili, in primo luogo meteorologiche e topografiche.
Le precipitazioni atmosferiche possono, ad esempio, diminuire l'inquinamento per il dilavamento degli inquinanti per azione delle gocce di poggia o dei fiocchi di neve.
I venti possono trasportare lo smog in aree lontane e rimpiazzare le masse d'aria inquinata con aria pulita (in ogni caso il problema permane nelle zone più distali che ricevono l'aria contaminata).
Al contrario le inversioni di temperatura possono aumentare la criticità dei fenomeni di inquinamento da smog fotochimico. Di solito durante il giorno l'aria vicino alla superficie si riscalda e mentre si riscalda sale trasportando gli inquinanti a maggiori altezze. Questo favorisce la rimozione degli inquinanti che si disperdono nell'ambiente. Nel caso in cui sia invece presente una inversione di temperatura gli inquinanti restano intrappolati vicino alla superficie del suolo. Le inversioni di temperatura causano quindi una riduzione nel rimescolamento delle masse d'aria e impediscono così la dispersione degli inquinanti, per pochi giorni o anche per diverse settimane.
La topografia è un altro importante fattore che influenza notevolmente la gravità di un fenomeno di smog fotochimico. Le comunità situate nelle valli sono più suscettibili allo smog fotochimico perché le montagne e le colline che le circondano tendono a limitare il rimescolamento dell'aria, favorendo un aumento nella concentrazione degli inquinanti. Oltre a questo, le valli sono più sensibili all'inquinamento da smog fotochimico perchè in queste aree si sviluppano spesso delle inversioni termiche particolarmente rilevanti.
Per quanto riguarda l'influenza della luce del sole sulla presenza dello smog fotochimico si può considerare ad esempio la relazione che vi è fra l'intensità della radiazione solare e la presenza dell'ozono nell'aria (composto che rappresenta di gran lunga l'inquinante secondario più importante in questo tipo di smog).
Il livello di ozono presenta tipicamente una periodicità giornaliera che rispecchia quasi fedelmente l'andamento della radiazione solare, con un fattore di ritardo di un'ora circa; questo perché la luce del sole è responsabile delle reazioni di fotodissociazione che portano alla formazione dello smog, inoltre durante notte le emissioni di NO in atmosfera rimuovono l'ozono generando biossido di azoto ed ossigeno.
Allo stesso modo, alle medie latitudini si può notare anche una periodicità annuale, dovuta anch'essa alla diversa intensità dell'irraggiamento durante le quattro stagioni: il maggiore irraggiamento estivo provoca un'acutizzarsi del fenomeno dello smog fotochimico.

Efetti sull'uomo

Nello smog fotochimico sono presenti centinaia di sostanze chimiche che possono provocare degli effetti nocivi sull'uomo, comunque i principali composti imputati sono sicuramente l'ozono, ed il perossiacetil nitrato (PAN).
Un'esposizione allo smog a bassi livelli di concentrazione provoca solo un'irritazione agli occhi, al naso, alla gola ed una fastidiosa lacrimazione.
Un'esposizione acuta può però peggiorare questi sintomi e condurre all'infiammazione dei polmoni, ad una crescente difficoltà nel compiere la respirazione, in un aumento della suscettibilità alle malattie respiratorie, all'aumento della sensibilità agli allergeni, alla riduzione delle performance atletiche, ad un senso di pena e di sofferenza nel compiere respiri profondi e ad un aumento degli attacchi di asma.
L'esposizione prolungata ad alte concentrazioni di smog è assolutamente da evitare in quanto può causare:

I soggetti più a rischio sono i bambini, gli anziani e le persone che hanno malattie polmonari. I bambini tendono a stare più tempo all'aperto, specialmente in presenza di condizioni atmosferiche favorevoli (cielo limpido e temperature elevate), condizioni per le quali la concentrazione dello smog risulta più elevata; i loro corpi sono ancora in via di sviluppo e così sono più soggetti ai danni causati dallo smog. Anche le persone che effettuano attività sportiva all'aperto sono a rischio, in quanto inalano maggiori quantità di aria e, di conseguenza, anche di inquinanti, fra i quali soprattutto l'ozono (per maggiori informazioni si veda la parte dedidata all'ozono nella sezione.

Effetti sull'ambiente

Gli effetti ambientali dello smog fotochimico sono particolarmente evidenti sui vegetali. Lo smog diffuso su grande scala comporta infatti una diminuzione della produttività agricola, una resa minore dei raccolti ed una diminuzione nella qualità dei prodotti. Le foglie, avendo un rapporto superficie/volume molto elevato, assorbono attraverso gli stomi quantità relativamente alte di inquinanti che determinano danni ingenti soprattutto in loco. Le sostanze presenti nello smog fotochimico possono ridurre o addirittura bloccare la fotosintesi, diminuire la velocità di crescita ed anche limitare la riproduzione. Da notare che i danni si manifestano anche a concentrazioni minori di quelle dannose per l'uomo; tanto per fare un esempio, una concentrazione pari a 0,1 ppm di ozono può ridurre la fotosintesi del 50%. Le piante diventano poi più suscettibili all'attacco di insetti e parassiti vari, più sensibili alla mancanza dei nutrienti e meno resistenti alle avverse condizioni climatiche. L'azione dello smog fotochimico può anche verificarsi senza che si possano notare dei danni visibili, al termine del periodo di crescita si nota comunque un calo nella biomassa della pianta.
Le sostanze più imputate sono l'ozono e soprattutto il perossiacetil nitrato (PAN), un composto che non era mai stato individuato prima che fosse studiata la composizione dello smog fotochimico.
L'ozono, il principale inquinante secondario, può danneggiare diversi composti, può causare il deterioramento delle gomme e delle plastiche, una riduzione nella resistenza dei composti tessili ed il danneggiamento delle vernici. L'ozono può anche danneggiare opere d'arte e libri, per cui vari musei e librerie hanno da tempo preso delle precauzioni per minimizzarne gli effetti.
Tutte le altre sostanze presenti nello smog fotochimico hanno degli effetti più o meno pronunciati a carico dell'ambiente, ma la loro presenza è solitamente di importanza secondaria, anche se non si possono escludere vari effetti sinergici. Per questa loro minore importanza, quando si parla di smog fotochimico si fa spesso riferimento alla sola presenza dell'ozono, trascurando così (erroneamente) l'esistenza di centinaia di altri composti potenzialmente dannosi.