•Particolato atmosferico

 

Il particolato si riferisce ad una miscela di particelle solide e goccioline liquide nell’aria, con proprietà fisiche e chimiche variabili. Il particolato atmosferico non è un inquinante dalle caratteristiche ben definite, come la gran parte degli inquinanti gassosi, ma piuttosto una miscela polidispersa di inquinanti che interagiscono tra loro, una parte della quale possiede le caratteristiche tipiche degli inquinanti primari (in particolare la stretta correlazione con le sorgenti di emissione) e un'altra parte manifesta invece le caratteristiche degli inquinanti secondari (correlazione indiretta con le sorgenti di emissione, formazione in tempi e luoghi anche lontani dalle emissioni primarie). La composizione caratteristica di queste particelle è data infatti da ioni inorganici solubili, materiale carbonioso, composti organici, composti inorganici di origine crostale e/o marina, metalli in tracce, frammenti di origine vegetale e gas adsorbiti sulle particelle. Il particolato atmosferico può essere classificato come:

-                    PM₁₀: frazione di materiale particolato sospeso in aria ambiente che passa attraverso un sistema specifico di campionamento in grado di selezionare il materiale particolato avente un diametro aerodinamico equivalente inferiore o uguale a 10 µm, con una efficienza di campionamento pari al 50%.

-                    PM_2.5: frazione di materiale particolato sospeso in aria ambiente che passa attraverso un sistema di separazione in grado di selezionare il materiale particolato avente un diametro aerodinamico equivalente inferiore o uguale a 2.5 µm, con una efficienza di campionamento pari al 50%.[

La frazione di particolato dominante emessa nell’atmosfera è costituita da materiale carbonioso, che è composto da carbonio organico (OC) e carbonio elementare (EC).

 Il carbonio totale (TC) contiene il carbonio organico, il carbonio elementare e il carbonio carbonatico (CC), ovvero TC= OC + EC

+CC. Il carbonio elementare è un composto primario. Esso viene emesso durante le combustioni ed è utilizzato generalmente come marker per l’inquinamento da traffico veicolare. Il carbonio organico invece ha caratteristiche sia primarie che secondarie: può essere emesso dalla combustione di combustibili fossili e di biomassa piuttosto che essere originato come aerosol organico secondario (SOA). Mentre il carbonio carbonatico (CC) rappresenta al massimo il 5% del carbonio totale ed è costituito principalmente da composti di origine crostale.

Le specie carboniose influenzano il bilancio delle radiazioni della terra: mentre il black carbon (BC) assorbe la radiazione solare in entrata contribuendo all’aumento delle temperature atmosferiche, il OC raffredda l’atmosfera disperdendo la radiazione solare. Queste particelle presenti nel particolato atmosferico possono efficientemente agire come nuclei di condensazione (CCN), avendo influenze sulla formazione delle nubi e sulle loro proprietà.

La componente principale della massa carboniosa submicrometrica del fumo è la frazione organica di aerosol che può arrivare fino al 90%. Si stima che l'emissione globale annua di OC e di BC emessa in eventi a fuoco aperto sia rispettivamente del 70% e del 40% circa.

Un’importante frazione del carbonio organico presente negli aerosol atmosferici è rappresentata dagli zuccheri anidri che risultano essere solubili in acqua. Essi vengono prodotti dalla degradazione termica di cellulosa ed emicellulosa e possono essere usati come marker per il contributo della combustione di biomassa alle emissioni di aerosol primario.

 

• Proprietà fisiche delle particelle di fumo

 

Gli studi hanno confermato che la combustione di biomassa è una delle principali fonti di particelle fini nell'atmosfera, e la distribuzione dimensionale delle particelle di fumo appena emesse risiede principalmente all'interno della modalità di accumulo con diametro geometrico medio (GMD) a 50 - 200 nm. Sono state riportate distribuzioni unimodali e bimodali in concentrazione volumetrica, e la discrepanza del GMD e del modello di distribuzione si riferisce al tipo di combustibile, all'ambiente di combustione, alle condizioni di combustione, alle tecnologie di misurazione e anche all'entità dell'invecchiamento delle colonne di fumo. La rapida crescita delle dimensioni si verifica immediatamente dopo l'emissione di particelle di fumo, ed è stato osservato un incremento di dimensioni di decine di nanometri per ora nel modello GMD. È stato anche rilevato che la coagulazione è il meccanismo dominante che contribuisce alla crescita delle particelle e che l'umidità facilita il processo.

Le dimensioni ultra fini consentono alle particelle di fumo di essere efficienti nuclei di condensazione e di depositarsi anche più in profondità nel sistema respiratorio presentando rispettivamente potenziali effetti climatici e rischi per la salute umana, mentre i cambiamenti nella distribuzione delle dimensioni alterano le loro proprietà ottiche, aumentando l'albedo a diffusione singola (SSA) man mano che le particelle di fumo aumentano verso dimensioni dove la diffusione è più efficiente.

L'igroscopicità delle particelle di fumo è stata caratterizzata utilizzando tecniche di insieme e tecniche a singola particella per derivare il fattore di crescita igroscopico (GF) e il parametro di igroscopicità κ. Il parametro κ è comunemente usato per collegare l'igroscopicità e l'attività come nuclei di condensazione (CCN) delle particelle, che si presentano in funzione della dimensione delle particelle e della composizione chimica. Le particelle di fumo vanno da debolmente igroscopiche (κ ~ 0,02) a fortemente igroscopiche (κ ~ 0,80) e i valori variano a seconda del tipo di combustibile e delle condizioni di combustione. La combustione della biomassa in maggiore percentuale aerosol organici idrofobici, mentre le particelle emesse dalla fase di combustione a temperature più elevate contengono più sali inorganici, con una igroscopicità maggiore. La volatilità è una proprietà importante dei materiali organici e determina la formazione di aerosol organico secondario (SOA) e la divisione tra le fasi gassosa e particellare. Le volatilità dipendono dalle dimensioni e dal tipo di combustibile, con materiali organici più volatili che hanno una minore densità e rapporti OM/OC (materia organica rispetto al carbonio organico) più bassi nelle particelle di fumo miscelate esternamente.

Le particelle di fumo contengono i principali materiali organici (in media oltre il 70 % in peso) e una notevole quantità di sali inorganici, che presentano proprietà ottiche nettamente diverse.

I materiali a base di carbonio, come le particelle di fuliggine (BC), sono i principali assorbitori di luce su tutto lo spettro visibile. L'arricchimento del fumo nei componenti di assorbimento della luce (come le specie umiche, gli IPA e la lignina, ecc.) fa sì che il resto della materia organica del fumo sia carbonio marrone con efficienza di assorbimento della luce accanto al BC. La maggior parte dell'assorbimento da parte del carbonio bruno avviene nella banda UV e alle basse lunghezze d'onda visibile a causa della presenza di strutture ad anello risonante mentre i sali inorganici, come solfato e nitrato, mostrano un carattere specifico di diffusione della luce, che può raffreddare l'atmosfera aumentando la riflettività della Terra.

 

• Ioni inorganici

 

Gli ioni inorganici costituiscono uno dei maggiori componenti del particolato atmosferico e proprio

per questo motivo risulta interessante e utile la loro identificazione e quantificazione. Le sorgenti che danno origine alla componente inorganica sono molteplici: gli ioni inorganici possono essere di origine primaria o secondaria, antropica o naturale.

I principali ioni di origine primaria sono:

-                    Cloruri (Cl-): la cui sorgente naturale primaria è l’aerosol marino, mentre le sorgenti antropiche sono le emissioni da inceneritori di rifiuti (esempio: plastiche) e la combustione di carbone.

-                    Sodio (Na+): di origine naturale, proveniente da aerosol marino ed in parte dal suolo.

-                    Calcio (Ca2+): principalmente di origine crostale derivante dall’erosione meccanica e dal trasporto da parte del vento; proveniente da attività di agricoltura, da eruzioni vulcaniche e da processi industriali.

-                    Magnesio (Mg2+): principalmente di origine crostale e, in piccolissima parte, proveniente anche da aerosol marini.

-                    Potassio (K+): rappresenta uno dei maggiori componenti della crosta terrestre; la maggior sorgente antropica è legata alla concimazione, mala combustione di biomassa rappresenta, comunque, una delle principali sorgenti.

-                    Bromo (Br-): di origine antropica (traffico veicolare).

 

 

I principali ioni inorganici di origine secondaria sono gli ioni ammonio (NH₄⁺), solfati (SO₄^2-), nitrati (NO₃^-); questi sono dovuti alle reazioni di acido solforico ed acido nitrico con composti basici come l’ammoniaca (NH₃) con la produzione di sali quali il nitrato d’ammonio ed il solfato d’ammonio o con altri cationi di metalli alcalini o alcalino terrosi. I precursori del particolato secondario sono:

-                    Gli ossidi di azoto (NO_x) originati principalmente dalla combustione ad alta temperatura di combustibili fossili

-                    Gli ossidi di zolfo (SO_x) prodotti principalmente dai processi di combustione di carbone e petrolio contenenti zolfo. Di minore importanza sono le emissioni da sorgenti naturali dovute a emissioni di tipo vulcanico e da decomposizioni di organismi acquatici

-                    L’ammoniaca (NH₃) in parte derivante da attività metaboliche di microrganismi del suolo e di organismi marini, e in parte prodotta industrialmente.

• Inquinanti gassosi e IPA

 

La combustione di biomassa è un'importante fonte di composti organici volatili (COV) e monossido di carbonio (CO), i quali sono precursori dell'ozono (O₃) e dell'aerosol organico secondario (SOA), che rappresentano un danno per la qualità dell'aria e la salute umana.

I gas serra (GHG) emessi, come CO₂, CH₄ e N₂O, portano al riscaldamento globale inibendo la perdita di calore della superficie terrestre. Hanno anche un profondo effetto sulla capacità ossidante della troposfera che porta alla produzione fotochimica di O₃, mentre il cloruro di metile (CH₃Cl) è la fonte di cloro nell’atmosfera e ha un impatto significativo sull’esaurimento stratosferico dell’ozono.

Il cloruro di metile viene prodotto da processi biologici negli oceani ed anche dalla combustione di biomasse.

Inoltre, i composti del bromo, in particolare il bromuro di metile, vengono emessi nell’atmosfera quando la biomassa viene bruciata e ricopre un ruolo importante come catalizzatore nella distruzione chimica dell’ozono stratosferico. È circa 40 volte più efficace nel distruggere O₃ rispetto al cloro. Il particolato prodotto dalla biomassa perturba il trasferimento della radiazione solare in entrata attraverso la troposfera, quindi di conseguenza influenza il clima.