Metalli in tracce atmosferic

Molti metalli, anche se presenti a livello in tracce, possono avere effetti negativi sia sull’ambiente che sulla salute umana, a causa della loro tossicità e della loro capacità di bio-accumulo negli organismi. Questi effetti dipendono dai livelli di concentrazione dei metalli stessi, dalla loro speciazione chimica, dallo stato fisico e dalle condizioni biologiche del sistema con cui interagiscono. Sebbene siano stati fatti numerosi studi sull’impatto dei metalli in tracce sui singoli bio-sistemi, molto meno conosciuti sono i flussi di origine, distribuzione e rimozione di tali inquinanti. Le fonti emissive di metalli nell'aerosol atmosferico possono essere sia naturali che antropogeniche.

4.2.1 Sorgenti naturali

Per una corretta quantificazione delle concentrazioni atmosferiche di metalli immessi nell'aerosol dalle attività antropiche, è necessario conoscere e valutare il contributo delle sorgenti naturali a scala locale, regionale o globale. E’ generalmente assunto che le principali sorgenti naturali dei metalli includono l'erosione crostale, le emissioni vulcaniche, la formazione di spray marino e gli incendi boschivi. I primi

inventari delle emissioni naturali dei metalli più potenzialmente o effettivamente tossici per la salute umana e per l'ambiente furono compilati alla fine degli anni settanta. La Tabella 4.1 (Nriagu, 1989) mostra una stima delle emissioni globali naturali di alcuni metalli, presenti in tracce nell'atmosfera.

Tabella 4.1 Emissioni di metalli in traccia da sorgenti naturali espresse in 103 t/anno.

Alle polveri crostali si può attribuire il 50% delle emissioni totali di Cr, Mn e V e il 20-30% del Cu, Mo, Ni, Pb, Sb e Zn rilasciati annualmente nell’atmosfera. Numerosi studi sulla formazione e il trasporto di tali polveri hanno permesso di ottenere un livello di conoscenza di questa sorgente decisamente superiore a quello conseguito per altre fonti naturali.

Per il bacino del Mediterraneo, le aree desertiche del Nord Africa rappresentano le maggiori sorgenti di particolato crostale distribuito a largo raggio. In particolare, il deserto del Sahara sembra avere un importante ruolo nel ciclo delle polveri dell’emisfero nord, con un contributo alle emissioni dell'ordine del 50%. L’identificazione di tale sorgente è inoltre relativamente affidabile, dato che la composizione chimica delle polveri del Sahara si mantiene costante durante il trasporto. Un’altra importante sorgente emissiva di particolato atmosferico nell’emisfero nord è costituita dalle aree desertiche dell’Asia.

Alle emissioni vulcaniche si può attribuire il 40-50% del Cd , il 20-40% del Hg e la quasi totalità di As, Cr, Cu, Ni, Pb e Sb emessi a livello globale dalle sorgenti naturali. Purtroppo, il riconoscimento del contributo di tale sorgente è reso difficile dal fatto che le concentrazioni relative dei metalli presenti nei gas e nel particolato emessi durante le eruzioni vulcaniche hanno una variabilità molto più elevata di quella delle polveri crostali.

Alcuni studi hanno mostrato che particelle che si originano da materia organica costituiscono il contributo principale di alcuni metalli nell’aerosol atmosferico presente nelle aree non urbane (Talbot et al., 1988; Artaxo et al., 1988). Nriagu (1989) ha stimato che il contributo delle sorgenti bio-genetiche costituisce più del

marino come risultato di processi di conversioni gas-particella, a partire da precursori gassosi emessi da processi fitoplanctonici. La re-immissione di Hg nel particolato atmosferico può essere causata da processi biologici di metilazione in ambienti acquatici e terrestri. Per una corretta valutazione delle emissioni biogeniche, tuttavia, è bene tener presente che le stime dei flussi dei metalli emessi da tali sorgenti sono ancora meno accurate di quelle relative ai flussi vulcanici.

Il particolato originatosi da spray marino è stimato contribuire meno del 10% al budget globale dei metalli nell'aerosol. I principali meccanismi di immissione nell'atmosfera di metalli in ambiente marino sono di tipo primario, come il “bubble bursting” (rottura di bolle - importante innanzi tutto per Na, Ca, Mg, Cd, Cu, Ni, Pb e Zn) e secondario, come le emissioni in fase gassosa che avvengono all’interfaccia atmosfera/mare.

Gli incendi di foreste costituiscono una rilevante sorgente di emissione di particelle contenenti tracce di metalli. In genere, più del 10% del Cu, Pb e Zn atmosferico derivante da sorgenti naturali trae origine da incendi forestali (Nriagu, 1989). Tuttavia, l’accuratezza dei flussi di emissione dei metalli in tracce è piuttosto bassa, e può essere paragonata all’accuratezza con cui vengono stimati i flussi per le sorgenti biogenetiche.

4.2.2 Sorgenti antropiche

Impianti termoelettrici, processi industriali, corrosione di manufatti e strutture, smaltimento dei rifiuti, e traffico veicolare hanno portato, negli ultimi decenni, a un serio incremento delle emissioni dei metalli nell’atmosfera.

La combustione dei combustibili fossili per la produzione di elettricità e calore è la principale sorgente di emissione antropogenica nell’atmosfera di metalli come Be, Co, Hg, Mo, Ni, Sb, Se, Sn, V, e un’importante sorgente per As, Cr, Cu, Mn e Zn. Le centrali termoelettriche emettono la metà dell’ammontare totale dei metalli in tracce generati dalla combustione dei combustibili fossili. In generale, l'entità delle emissioni di una centrale termoelettrica convenzionale dipende da:

- il contenuto di metalli nei combustibili;

- le proprietà fisico-chimiche dei metalli durante la combustione; - le condizioni tecnologiche del bruciatore;

- il tipo e l’efficienza dell’impianto di contenimento delle emissioni.

La maggior parte delle emissioni atmosferiche di As, Cd, Cu, In e Zn deriva dai processi metallurgici ad alta temperatura impiegati per la produzione dei metalli non ferrosi, come piombo, rame e zinco. Ovviamente, il livello tecnologico dei processi industriali (in primo luogo, industrie metallurgiche e petrolchimiche) gioca un ruolo determinante nei livelli di emissione dei metalli nell'atmosfera.

Metalli come Pb, Cd, As, Zn, Sb, Bi, Te, V e Hg sono inoltre utilizzati come additivi nelle industrie chimiche, manifatturiere e edili, per la produzione o per migliorare le caratteristiche di numerosi prodotti industriali (carburanti, lubrificanti, ceramiche, vernici, vetri, plastiche ecc.).

4.3 Determinazione delle concentrazioni atmosferiche di metalli per