Sorgenti di Particolato

La principale distinzione da fare è quella fra sorgenti antropogeniche (ossia particolato primario e secondario prodotto dalle attività umane) e naturali (particolato primario e secondario presente in natura anche senza l’intervento dell’uomo). Le tabelle successive riassumono i principali flussi di precursori di particolato e di particolato:

Fig. 5.4: forza annuale di diverse sorgenti per l’emissione al giorno d’oggi di vari precursori di aerosol. L’anno di riferimento è indicato fra parentesi di fianco alle singole fonti, dove applicabile (da IPCC, 2001)

Fig. 5.5: stima dei flussi di aerosol provenienti da fonti naturali e antropogeniche, primarie e secondarie (Tg/y) (da Seinfeld & Pandis, 2006)

5.5.1 Sorgenti Naturali

Alle emissioni naturali di particolato partecipano sia le componenti abiotiche che biotiche del sistema Terra: le più importanti fonti abiotiche di particolato primario sono sicuramente il suolo e il mare. Il particolato proveniente dal suolo deriva dall’azione degli agenti fisici sul suolo e pertanto la sua composizione chimica dipende dalla specifica area d’origine del particolato, ma tendenzialmente tende a comprendere le specie chimiche principali che compongono la crosta terreste, quindi Si, Al e Fe (Stephen, 2004).

Anche i mari e gli oceani emettono particolato primario per azione di agenti fisici, ma sotto forma di spray marino che si produce per interazione del vento con le onde: il vento sospende in atmosfera piccole goccioline d’acqua salata che divengono particolato solido a causa dell’evaporazione della fase acquosa (Blanchard and Woodcock 1957; Monahan et al. 1983). Derivando dall’evaporazione dell’acqua, dunque, la sua composizione chimica sarà data dalle specie presenti in maggior quantità, quindi cloruro di sodio (NaCl) e solfati (Lewis & Schwarz, 2005).

Una terza fonte abiotica, che non è altrettanto costante al pari del suolo e dei mari, ma che può emettere grandi quantità di particolato e di precursori in atmosfera, è l’attività vulcanica. Il

particolato primario vulcanico è composto tendenzialmente da particelle grossolane di origine minerale (particelle minerali, ceneri, eccetera), alle quali si accostano una serie di gas precursori di particolato (principalmente vapor acqueo, anidride carbonica e ossidi di zolfo) (Seinfeld & Pandis, 2006).

Anche la componente biotica si configura come fonte di particolato e di precursori: la frazione di particolato grossolano e primario è composta principalmente da detriti di origine di vegetale o da veri e propri organismi (batteri, spore, alghe, virus), ma i vegetali sono anche emettitori di una grande quantità di composti organici volatili (bioVOCs) (Seinfeld & Pandis, 2006). Questi composti sono precursori di particolato poiché possono andare incontro ad ossidazione e quindi a formazione di composti più polari con minor pressione di vapore e quindi una maggior probabilità di andare incontro ai processi di nucleazione (Christoffersen et al., 1998; Koch et al., 2000).

I vegetali non sono, però, le uniche fonti biotiche di composti precursori: ad essi si affiancano una serie di organismi marini che emettono, come prodotto metabolico, il dimetilsolfuro. Questo composto, attraverso una serie di reazioni, va a formare il solfato di ammonio, un sale che rappresenta uno dei più importanti costituenti dell’aerosol secondario (Finlayson & Pitts, 1999). L’emissione di composti organici naturali, come i bioVOCs vegetali, vanno ad inserirsi nella frazione emessa naturalmente di carbonio elementare alla quale si aggiunge anche il carbonio prodotto per combustione non antropica delle biomasse (incendi) (Harrison, 2001). Gli incendi, poi, non sono solo produttori di particolato carbonioso, ma anche di una serie di precursori, com’è visibile dalla figura 5.5.

5.5.2 Sorgenti Antropiche

L’azione dell’uomo, principalmente nell’ambito dell’industria, dei trasporti e della produzione d’energia, è un’altra importante sorgente di particolato in atmosfera. Tutte queste attività sono in grado di produrre sia particolato grossolano, generalmente derivante da processi meccanici e dalle ceneri dovute alla combustione; sia particolato fine, principalmente come altro prodotto di combustione (particolato di dimensione inferiore alle ceneri e carbonio elementare). La frazione fine, però, include anche il particolato secondario che si produce a partire dalle emissioni gassose antropiche per processi di trasformazione da gas a particella (Seinfeld & Pandis, 2006).

Il particolato che si forma per questo tipo di processo è principalmente composto da solfati, nitrati, nitrati d’ammonio e materiale organico (fra cui il carbonio) (Seinfeld & Pandis, 2006). I solfati si producono quindi da ossidi di zolfo che a loro volta derivano principalmente dalla combustione di combustibili fossili (IPCC, 2001). Gli ossidi di zolfo possono, infatti, andare incontro ad una

reagire con ione ammonio e/o acqua, mediante un processo di nucleazione, per dare origine a materiale particolato (Kulmala e Laksonen, 1990, Kulmala et al., 2000).

Anche il particolato a base di nitrati (che si origina a partire da ossidi di azoto derivanti da combustione di biomassa) richiede per la sua formazione una reazione con radicale ossidrile e ione ammonio (Finlayson-Pitts & Pitts, 1999).

Quest’ultimo, dunque, si configura come un composto chimico piuttosto importante nella formazione di particolato secondario e si origina dai sottoprodotti del metabolismo animale e dalla loro successiva decomposizione e volatilizzazione. È quindi molto influenzato dalle attività umane di allevamento intensivo, che può portare anche ad elevati livelli di emissione (Sutton et al., 1993, Gay et Knowlton, 2009). Pertanto possiamo includerlo nella schiera dei composti di origine antropica (nonostante si formi anche in natura per il normale metabolismo animale) anche perché può andarsi a depositare su particelle più grandi di sali e di minerali di origine prettamente antropica andando a modificarne la composizione (IPCC, 2001).

Accanto all’allevamento, anche l’agricoltura, praticata dall’uomo a partire da circa 11 000 anni fa, contribuisce alla formazione di particolato in atmosfera attraverso l’emissione di composti organici volatili, ai quali si aggiungono i VOCs derivanti dalla sintesi e dall’utilizzo di una serie di composti chimici (dei quali si può trovare un inventario sul sito dell’EPA:

http://www.epa.gov/iaq/voc2.html).

Non si può poi non considerare il fatto che molte delle attività sopra descritte coinvolgono la combustione (spesso incompleta) di combustibili fossili e/o di biomasse: entrambi producono particolato carbonioso sotto forma di black carbon (IPCC, 2007).