Ricerca B: la formazione di aerosol – il ruolo dell’acido solforico

 La concentrazione di particelle presenti nell’aria

Nella parte A della sezione Ricerca abbiamo descritto come viene effettuata la misura delle particelle fini con diametro inferiore a 10 µm mediante l’utilizzo di un tradizionale analizzatore per il controllo dell’aria ambientale.  

Con l’ausilio di questo tipo di analizzatore è possibile ricavare un quadro complessivo delle concentrazioni di particelle presenti nelle aree rurali, nell’ambiente urbano e nei centri urbani.
  

Le concentrazioni medie rilevate in corrispondenza dei centri urbani (fondo urbano) e nelle immediate vicinanze delle vie di transito (area marciapiede) sono più elevate rispetto a quelle misurate nelle aree rurali o in prossimità delle aree suburbane. Tuttavia, le differenze tra la città e l’ambiente circostante mostrano spesso un divario meno marcato se l’intera area presenta un forte tasso di inquinamento.  

 L’acido solforico e la formazione di particelle

Tuttavia, anche nelle regioni disabitate e ubicate a grande distanza dai centri urbani, è possibile rilevare la presenza di un certo numero di particelle fini le cui fonti principali possono essere ricondotte all’acido solforico e ai composti organici presenti nell’atmosfera. In questa pagina, analizzeremo solo il contributo apportato dall’acido solforico.
 

La formazione di composti solforati derivanti dall’acido solforico presente nell’aria produce particelle finissime. Durante il processo di formazione, le dimensioni di tali particelle sono inferiori ai limiti di rilevamento misurabili dagli analizzatori. Nel corso di una campagna di misure effettuata sulle Montagne Rocciose, si è osservato che la formazione delle particelle più fini avveniva in seguito ad un forte aumento della concentrazione di acido solforico (H2SO4) presente nell’atmosfera*. Tale aumento si verificava nelle ore comprese tra la mattina e mezzogiorno.
 

La formazione di particelle può aver luogo solo se nell’aria è stato raggiunto un certo livello di saturazione dell’acido solforico e se nel contempo è presente un determinato grado di umidità. Il punto critico per la formazione di nuove particelle viene raggiunto molto più rapidamente se nell’aria sono presenti tracce di ammoniaca (ad esempio 1 ppt = parte per trilione). In questo caso, l’acido solforico e l’ammoniaca possono dare origine al solfato di ammonio, un sale fortemente igroscopico. Poiché il terzo elemento, l’acqua, svolge un ruolo decisivo, questo tipo di formazione viene definito “nucleazione ternaria” (nucleazione a tre elementi).

 Che cosa si osserva alla formazione di nuove particelle?

Grazie alla seguente serie di immagini tenteremo di illustrare ciò che osserva uno scienziato durante la formazione di nuove particelle e le reazioni che si verificano.
 
 

La “nascita” di una particella, pertanto, rimane tuttora avvolta dal mistero. Molte particelle di dimensioni estremamente piccole che si sono appena formate si aggregano a particelle più grandi prima di raggiungere una dimensione rilevabile dagli strumenti. Quanto più lenta è la velocità di crescita delle particelle e maggiore il numero di particelle già presenti nell’aria, tanto più complessa risulta l’osservazione di particelle ultrafini di dimensioni comprese tra 3 e 20 nm. Tuttavia, poiché siamo in grado di produrre particelle ultrafini in laboratorio utilizzando acqua e acido solforico, non si può escludere che queste possano formarsi anche nell’atmosfera.
  

 La chimica della formazione dell’acido solforico

Nella figura 2 è possible osservare che la formazione dell’acido solforico avviene in un particolare momento della giornata. Ciò non deve stupirci. L’acido solforico si forma, infatti, attraverso l’ossidazione del biossido di zolfo e i composti dell’ossigeno necessari per la sua formazione vengono prodotti principalmente in seguito a reazioni chimiche attivate dall’energia solare, quindi durante il giorno. Il biossido di zolfo deriva da fonti naturali (emissioni prodotte da alghe e vulcani) e a partire dall’epoca industrializzata, viene rilasciato in concentrazioni elevate anche da attività antropogeniche (come la combustione di carbone, di oli pesanti e processi industriali). 
  

4. L’acido solforico presente nell’atmosfera si forma in seguito a diverse reazioni che avvengono sia in fase gassosa che in fase liquida. Lo schema riportato a destra mostra le due modalità più frequenti: l’ossidazione con radicali idrossile in fase gassosa e l’ossidazione con ozono (o altri ossidanti solubili) in fase liquida, ossia nelle goccioline di nube o di nebbia. Inoltre, la reazione del triossido di zolfo (o anidride solforica) con l’acqua non costituisce solo una semplice addizione chimica. Sono molte, infatti, le molecole d’acqua che entrano in scena in questa particolare reazione.
Schema: Elmar Uherek; clicca sull'immagine per allargarla!
 

* Per i ricercatori che studiano la formazione di aerosol la determinazione della composizione chimica delle particelle rappresenta un serio problema in quanto le concentrazioni sono estremamente basse. Pertanto, la teoria sulla formazione di nuove particelle originate dall’acido solforico ha carattere conclusivo ma non può essere dimostrata in via definitiva.