Bassa Atmosfera

Approfondimento

Distribuzione & concentrazione (2)

Per i composti atmosferici meno stabili è impossibile dare delle concentrazioni atmosferiche medie. Le loro concentrazioni dipendono fortemente dalla chimica dell’atmosfera che si verifica in un momento specifico.

Profili verticali

Sorgenti, pozzi e condizioni fisiche (ore di luce solare, temperatura, precipitazioni, forza e direzione del vento) influenzano la distribuzione sia orizzontale che verticale di un gas. I profili verticali mostrano spesso rapporti di mescolamento leggermente decrescenti con l'aumento dell'altitudine particolarmente nella troposfera libera e nella stratosfera. L'ozono è un eccezione in quanto presenta i rapporti di mescolamento e le concentrazioni più alti nello strato di ozono stratosferico. La maggior parte della chimica nell'atmosfera si verifica molto più in basso, nello strato limite planetario, che è lo strato dell'atmosfera direttamente influenzato dalla superficie terrestre, dove si trovano le fonti di emissione dei composti chimici.

I grafici qui sotto mostrano i profili verticali di diversi gas organici e inorganici in tracce misurati da un aereo da ricerca. Escludendo anidride carbonica, ozono e metano, i valori tipici dei rapporti di mescolamento sono poche centinaia di parti per trilione (ppt) o poche parti per miliardo (ppb). I composti mostrati sono i più importanti gas in tracce, però nella troposfera ci sono centinaia di altri gas organici che hanno rapporti di mescolamento di poche ppt.

Composti misurati:

CH₄ = metano
CO = monossido di carbonio
CH₃OH = metanolo
CH₃COCH₃ = acetone
HCHO = formaldeide

O₃ = ozono
NO = ossido di azoto
NO_y = composti di azoto ossidati senza NO, NO₂
PAN = perossiacetilnitrato
CN = nuclei di condensazione (particelle)

C₂H₆ = etano
C₂H₂ = acetilene = etino
C₃H₈ = propano
C₆H₆ = benzene
CH₃Cl = clorometano = metil cloruro

Gas nella troposfera

E' molto difficile dare una visione d'insieme delle concentrazioni dei gas in tracce presenti nella troposfera. Lo stesso composto può avere ad esempio concentrazioni molto basse sopra l'oceano e concentrazioni molto alte in ambiente urbano. Inoltre sono moltissimi i gas che svolgono un ruolo importante nella troposfera. Perciò la seguente tabella mostra alcuni esempi dei rapporti di mescolamento medi vicino al suolo di quei composti misurati più comunemente.

Tabella riassuntiva che riporta i più importanti gas presenti nell'atmosfera libera:

*Le concentrazioni dei gas indicate con un asterisco sono quelle aumentate a causa dell'attività dell'uomo e sono relativamente ben rimescolate a livello globale. I valori percentuali dei componenti principali dell'aria sono dati per l'aria secca. Dati del 2005-2007.

Rapporti di mescolamento, concentrazioni a unità di misura diverse:

Le quantità di gas possono essere espresse con diverse unità di misura:

concentrazione: molecole cm^-3 o µmol m^-3
o rapporto di mescolamento: ppt (pmol mol^-1), ppb (nmol mol^-1), ppm (µmol mol^-1), % (10 mmol mol^-1)

Il rapporto di mescolamento è un’unità di misura scientificamente più corretta: quando l'aria sale, si espande in volume e, di conseguenza, la concentrazione di gas cambia. Il rapporto di mescolamento (la proporzione relativa sul numero totale di molecole d'aria), tuttavia, rimane lo stesso. 

La conversione da un'unità di misura all'altra dipende dalla pressione (= l'altitudine) e dal peso molecolare del composto. Se facciamo il calcolo per la superficie della terrestre ad una pressione normale di circa 1 bar possiamo esprimere le molecole totali per volume di aria nei seguenti modi:

1 mol = 22.4 L = 6x10²³ molecole =>
1 cm³ = 2.7 x 10¹⁹ molecole
1 dm³ = 1 L = 2.7 x 10²² molecole
1 m³ = 2.7 x 10²⁵ molecole

Una stima approssimativa:

2 µg m-3 = 2 x 10-6 g m^-3 NO₂ è un valore tipico per il biossido di azoto in aree non urbane.
il peso molecolare di NO₂ = 46 g mol^-1
Questo significa: 2 x 10-6 g m^-3 = 4.3 x 10-8 mol m^-3 = 2.6 x 1016 molecole m^-3

Perciò il rapporto di mescolamento è circa 2.7 x 10¹⁶ / 2.7 x 10²⁵ = 10^-9 = 1 ppb

Poichè l'ozono ha un peso molecolare simile, M(O₃) = 48 g mol^-1, possiamo anche dire approssimativamente che;
2 µg m^-3 of ozono = 1 ppb

Questo calcolo è valido solo per la superficie terrestre dove viviamo. Per gli episodi di inquinamento da ozono nelle aree urbane possiamo fare questi calcoli:

120 µg m^-3 = 60 ppb -> livelli alti
240 µg m^-3 = 120 ppb -> livelli molto alti, niente attività fisica, rischio per la salute
360 µg m^-3 = 180 ppb -> livelli estremamente alti, molto dannosi per i polmoni, stare a casa!

Pagine collegate

Ulteriori informazioni sulle concentrazioni e i rapporti di mescolamento sono disponibili in:
Alta atmosfera - Principi - Unità 1 - Composizione

A proposito di questa pagina:

Versione italiana: Laura Dini (traduttore) e Michela Maione (revisione linguistica)
autore: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry Mainz
revisione scientifica: Dr. Rolf Sander - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz - 2004-05-18
ultimo aggiornamento: 2004-04-06