SCIENZE - CHIMICA - L'ARIA

PRESENTAZIONE

L'aria è una miscela di gas diversi che ricopre l'intera superficie del nostro pianeta, composta per il 78,084% in volume da azoto, per il 20,946% da ossigeno, per lo 0,934% dal gas raro argon, per lo 0,033% da anidride carbonica e per piccole percentuali da altri gas rari, quali idrogeno, metano, ossido di azoto e monossido di carbonio. L'ossigeno è certamente il gas più importante contenuto nell'aria. In natura sono moltissime le specie biologiche, tra cui l'uomo, che utilizzano l'ossigeno soprattutto per ossidare le sostanze nutritive e ricavarne energia per il movimento e la sopravvivenza: tutti gli organismi che sono in grado di assorbire molecole di ossigeno puro (quindi anche i pesci che estraggono quello disciolto nell'acqua) per utilizzarlo nei propri cicli metabolici sono detti aerobi. Esistono specie viventi, si tratta per lo più di batteri, in grado di sopravvivere in mancanza di ossigeno; anzi, per essi quel gas è un veleno potentissimo: tali organismi sono detti anaerobi. Tutto l'ossigeno presente nell'atmosfera è prodotto unicamente dalle piante e dalle alghe. Per i vegetali in realtà l'ossigeno è un prodotto di scarto delle reazioni fotosintetiche; la pianta assorbe acqua dal terreno e anidride carbonica dall'aria e con questi due composti, grazie anche all'energia che riceve dal sole, sintetizza glucosio e ossigeno che rilascia nell'atmosfera. Un grosso problema ambientale che interessa tutti da vicino è l'indiscriminato disboscamento di ampie superfici verdi per scopi agricoli, di sfruttamento del materiale ligneo e di insediamento urbano che ci priva dell'unica fonte per la produzione naturale di ossigeno di cui disponiamo; anche le foreste vergini dell'Amazzonia, considerate da sempre il più grande polmone verde del mondo, sono in pericolo e vengono distrutte sistematicamente al ritmo di 5 ettari al giorno. Anche l'azoto, il gas presente in maggior misura nell'atmosfera (quasi per i 4/5), ha un ruolo molto importante nel ciclo vitale di tutti gli organismi viventi, aerobi e anaerobi. L'azoto infatti, combinato con idrogeno, carbonio e ossigeno, dà origine agli aminoacidi contenuti nelle proteine. Esistono inoltre dei particolari batteri in grado di fissare l'azoto presente nell'atmosfera e di trasformarlo in sali solubili, particolarmente importanti per lo sviluppo delle piante. Questi microrganismi, gli azotobatteri, vivono in prossimità delle radici in rapporto simbiotico, cioè di reciproca collaborazione, con le piante. La massiccia presenza di azoto nell'atmosfera serve inoltre come moderatore degli effetti dell'ossigeno: l'ossigeno puro infatti è tossico e, se respirato per un certo periodo, può uccidere; inoltre molte sostanze, in presenza di ossigeno si consumano spontaneamente (fenomeno di autocombustione). L'anidride carbonica, al contrario dell'azoto e dell'ossigeno, non è un elemento: è un composto gassoso formato da due atomi di ossigeno legati allo stesso atomo di carbonio. L'anidride carbonica presente nell'atmosfera proviene dalla respirazione degli organismi aerobi e viene riutilizzata dalle piante per la fotosintesi. Gli altri gas presenti nell'atmosfera, idrogeno e metano (un idrocarburo gassoso), sono i prodotti di reazioni chimiche che avvengono sulla crosta terrestre durante le eruzioni vulcaniche, i fenomeni di elettricità atmosferica (fulmini) e per la decomposizione anaerobica (cioè che avviene in mancanza di ossigeno) di materiale organico. Tra i gas rari, l'elio viene prodotto per effetto del decadimento radioattivo di alcuni elementi presenti in natura come l'uranio; gli altri gas rari invece, con tutta probabilità erano già presenti nell'atmosfera primitiva, molto diversa da quella attuale, e sono sicuramente di origine cosmica. I gas rari sono utilizzati dall'uomo per vari processi industriali e scientifici; per estrarli si ricorre al procedimento della distillazione frazionata dell'aria liquida (vedi ricerche complementari). Apparecchio per la distillazione molecolareUn altro componente fondamentale dell'atmosfera è il vapore acqueo che proviene soprattutto dall'evaporazione dell'acqua degli oceani. Tuttavia la sua percentuale è incostante e varia a seconda delle zone geografiche, dei fattori climatici, della pressione atmosferica e di molti altri fenomeni. Rappresentazione schematica di un atomo di idrogeno Rappresentazione schematica del ciclo dell'azoto

LA STRATIFICAZIONE ATMOSFERICA

Come ogni altra sostanza, anche l'aria ha una propria massa e un proprio peso: essa infatti è trattenuta vicino alla crosta terrestre dalla forza gravitazionale del nostro pianeta. Sappiamo però che le molecole di gas o di una loro miscela viaggiano a velocità molto elevate, spesso sufficienti a vincere il vincolo della gravità e a disperdersi nello spazio. Questo fenomeno succede soprattutto con i gas più leggeri quali l'idrogeno e l'elio. L'azoto e l'ossigeno, che sono più pesanti, sono concentrati in misura maggiore vicino alla superficie terrestre. Si dice che sollevandosi dal livello del mare l'aria vada man mano rarefacendosi; ciò è vero per tutti i gas che compongono l'aria, ma soprattutto per l'ossigeno. Proprio per la scarsezza di ossigeno è più faticoso esercitare una qualsiasi attività che impegni veramente il fisico ad alte quote. Abbiamo spiegato che la composizione dell'aria che forma la nostra atmosfera non é omogenea per effetto della forza di gravità; esiste infatti un primo strato, la troposfera, che va dalla superficie del mare a circa 12-15 chilometri di altezza, dove l'aria contiene ancora una percentuale d'ossigeno sufficiente alla respirazione ed è sede della maggior parte dei fenomeni atmosferici; segue un breve strato chiamato tropopausa e, subito dopo, la stratosfera che arriva sino a 60 chilometri di quota. Nella stratosfera i suoni si propagano in modo anormale, esiste una luce crepuscolare e, in corrispondenza della tropopausa, cessano la rifrazione e la diffusione della luce solare (vedi capitolo elementi di ottica). Al termine della stratosfera troviamo un sottile strato di ozono, una particolare sostanza la cui molecola è costituita da tre soli atomi di ossigeno, che attenua le radiazioni luminose provenienti dal sole privandole principalmente di una grande quantità di raggi ultravioletti; senza questo importantissimo strato che fa da schermo, la luce solare così benefica diverrebbe troppo intensa, ed i raggi ultravioletti ucciderebbero la maggior parte della vita terrestre. Oltre i 70 chilometri di altezza inizia la mesosfera dove si disintegra la maggior parte delle meteoriti catturate dalla gravità terrestre, e dove queste iniziano la loro discesa luminescente. Negli ultimi due strati più alti, la ionosfera e la esosfera (a circa 800 chilometri di altitudine), avvengono i curiosi e meravigliosi fenomeni chiamati aurore boreali e nubi noctilucenti; quest'ultime sono ben visibili nella luce crepuscolare dopo il tramonto. A quelle altezze i gas sono talmente rarefatti che le molecole viaggiano a velocità elevatissime e la loro temperatura è molto alta; esse inoltre sono ionizzate, cioè cariche elettricamente, per effetto delle radiazioni solari e cosmiche e delle forze magnetiche terrestri. Le onde radio a bassa frequenza dirette verso lo spazio vengono riflesse dalla ionosfera; sfruttando questo fenomeno é possibile comunicare via etere a grande distanza senza ricorrere a trasmettitori molto potenti. Divisione regionale dell'atmosfera. La curva rappresenta l'andamento della temperatura in rapporto alla quota

L'INQUINAMENTO ATMOSFERICO

L'uomo è l'unico essere vivente presente sulla terra che non ha bisogno di adattarsi all'ambiente in cui si trova, poiché è riuscito a creare i mezzi per modificarlo a suo piacimento. In sostanza si è sottratto in qualche modo alla spinta evolutiva naturale. Ha disboscato per coltivare e procurarsi il legno; ha cacciato ed ucciso animali non solo per nutrirsene ma anche per le loro pelli e per puro divertimento; ha stravolto l'equilibrio naturale di ampie distese di terreno con coltivazioni agricole intensive, con l'uso di fertilizzanti chimici e con l'apertura di sempre nuove industrie. Oggi, forse troppo tardi, si è però accorto del danno provocato all'ambiente che, in modo collaterale, nuoce anche a tutti gli uomini. L'inquinamento può colpire diversi elementi: le acque (siano esse dei mari, dei fiumi o dei laghi), il terreno e l'aria. I fumi delle ciminiere e gli scarichi delle autovetture avvelenano l'aria con sostanze tossiche di vario genere e la oscurano con polveri in sospensione; studi recenti hanno evidenziato un aumento del tasso di anidride carbonica nell'aria, dovuto anche alla riduzione del verde, che in alcune zone ha avuto ripercussioni persino sul clima, per via del cosiddetto effetto serra. L'anidride carbonica presente nell'aria non permette alle radiazioni solari, che non sono trattenute dal terreno, di disperdersi nello spazio e riflette di nuovo al suolo i raggi solari in eccesso, provocando un aumento di temperatura che sconvolge l'habitat naturale. Un altro allarmante fenomeno è quello delle piogge acide: nelle zone industriali la pioggia scioglie le sostanze chimiche inquinanti sospese nell'aria e diventa corrosiva e tossica. Cadendo avvelena il terreno, i fiumi e danneggia grandi estensioni di boschi e foreste (come ad esempio è avvenuto nella Foresta Nera in Germania). Inoltre gli scienziati hanno notato un progressivo impoverimento dello strato di ozono, probabilmente a causa di gas rilasciati dal consumo industriale e civile che ne distruggono i legami molecolari. Senza quello strato la terra non sarebbe più protetta dalle radiazioni ultraviolette del sole. Cause e conseguenze del progressivo intensificarsi dell'effetto serra
Satelliti per il rilevamento dell’inquinamento ambientale