Roberto Sozzi (ARPA Lazio) Teodoro Georgiadis (CNR-IBIMET ...
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1. INTRODUZIONE AL PLANETARY BOUNDARY LAYER.—————————————————————————————————————in cui p 0 è la pressione al livello del mare, T è la temperatura in (K) e z è la quota in metri. Come ordinedi grandezza per calcoli rapidi ed approssimati, si ricordi che nei primi 3 chilometri di Troposfera si hauna riduzione di pressione con la quota pari a circa 10 hPa per ogni innalzamento di 100 metri.1.1.2.1 Le caratteristiche dell'aria seccaQuando nel PBL è assente il vapor d'acqua si dirà che l'aria del PBL è aria secca. Essa è una misceladi vari costituenti gassosi, la cui composizione è in continuo cambiamento nello spazio e nel tempo.Questa affermazione, vera in generale, ha comunque bisogno di alcune spiegazioni.Nell'aria sono presenti alcuni gas (gas permanenti) la cui concentrazione non cambia apprezzabilmentenel tempo. I principali gas permanenti sono l'Azoto (N 2 ), che rappresenta in volume il 78% dell'interaaria secca, e l'Ossigeno (O 2 ), che rappresenta circa il 21% dell'aria secca. In pratica l'aria secca èrappresentata dalla miscela di questi due gas a cui si affiancano altri gas permanenti come i gas nobiliArgon (Ar), Neon (Ne), Elio (He) e Xeno (Xe) e l'Idrogeno (H 2 ). La quasi totalità dell'aria secca èrappresentata dalla miscela di un numero ristretto di gas permanenti e quindi parrebbe che la suacomposizione non presenti una variazione significativa nello spazio e nel tempo. Tuttavia, se siconsidera la composizione dell'aria secca con maggior attenzione, si nota come in essa siano presentinumerose altre sostanze chimiche che, sebbene in concentrazioni estremamente ridotte, possonoinfluenzare notevolmente la vita del pianeta. In genere, tali sostanze sono il risultato delle attività umane,soprattutto di quelle industriali, e spesso la loro presenza più o meno marcata nei vari punti del globoviene indicata genericamente come inquinamento atmosferico.Un’importante famiglia di queste sostanze è costituita dai gas responsabili dell’assorbimento dellaradiazione ad onda lunga emessa dalla superficie terrestre, noti come gas serra (greenhouse gases),in quanto vanno ad alterare il naturale equilibrio che si è formato nel corso dell’evoluzionedell’atmosfera sul nostro pianeta tra l’energia radiativa entrante (proveniente dal sole, ad onda corta) equella riemessa dalla superficie terrestre (fenomeno che viene sinteticamente indicato come EffettoSerra). Il principale di questi gas è il Biossido di Carbonio (o Anidride Carbonica, CO 2 ), ma svolgonoun’azione rilevante anche il Metano (CH 4 ), l’Ossido Nitroso (N 2 O) ed in misura minore anche l’Ozono(O 3 ).Un’altra importante famiglia è quella dei Clorofluorocarburi (CFC), che svolgono un ruolodeterminante nei processi di distruzione della fascia di Ozono stratosferico: tali sostanze, per la loroscarsa reattività, hanno tempi di residenza in atmosfera estremamente lunghi (dell’ordine delle decine ocentinaia di anni), che permettono loro di raggiungere la stratosfera (soprattutto convogliati daifenomeni temporaleschi più violenti, che sono quasi esclusivamente responsabili degli scambi tratroposfera e stratosfera); una volta raggiunta la stratosfera, entrano in complesse reazioni chimiche, incui il Cloro svolge un ruolo fondamentale, che portano alla distruzione delle molecole di Ozono preseti,con conseguente diminuzione dell’effetto di schermo nei confronti della radiazione ultravioletta adenergia maggiore.Accanto a queste famiglie di inquinanti, responsabili di fenomeni a scala planetaria e capaci di influiresui processi fisici che regolano i meccanismi di equilibrio atmosferico, vanno ricordati tutti gli inquinantipresenti in quantità rilevanti in prossimità del suolo, importanti soprattutto per gli effetti diretti sullasalute degli organismi viventi, animali e vegetali: ossidi di azoto, di zolfo, composti del carbonio(soprattutto Monossido di Carbonio, CO, e tutta la classe degli idrocarburi), oltre a sostanze presenti infase solida o liquida, solitamente indicata col termine di Particolato o Aerosol, caratterizzati dalle lorodimensioni fisiche e dalla loro composizione chimica, entrambe estremamente variabili nello spazio e nel—————————————————————————————————————- 5 -
1. INTRODUZIONE AL PLANETARY BOUNDARY LAYER.—————————————————————————————————————tempo. Tutte queste sostanze sono presenti a concentrazioni assolute estremamente piccole, tali da nonessere rilevanti nei processi fisici atmosferici (tranne che in qualche misura sulla sua trasparenza, cheva ad alterare i bilanci energetici radiativi), ma importanti per la già ricordata azione dannosa sugliorganismi viventi.Componente Simbolo Peso Molecolare Concentrazione (% in volume)Azoto N 2 28.01 78.084Ossigeno O 2 32.00 20.946Argon Ar 39.95 0.934Biossido di Carbonio CO 2 44.01 0.030Neon Ne 20.18 1.821 10 -3Elio He 4.00 0.524 10 -3Metano CH 4 16.04 0.150 10 -3Kripton Kr 83.80 0.114 10 -3Idrogeno H 2 2.02 0.050 10 -3Xeno Xe 131.30 0.009 10 -3Ozono O 3 48.00 0.007 10 -3Ammoniaca NH 3 16.04 0.001 10 -3Iodio I 2 253.81 0.001 10 -3Biossido di Azoto NO 2 46.01 0.0001 10 -3Biossido di Zolfo SO 2 64.06 0.00002 10 -3Monossido di Azoto NO 30.00 0.00002 10 -3Acido Solfidrico H 2 S 34.08 0.00002 10 -3Monossido di Carbonio CO 28.01 tracceTab. 1.1: - Costituenti principali dell'aria secca.In Tab.1.1 è presentata una sintesi di quanto detto. Mentre per i gas permanenti le concentrazioniindicate sono sicuramente rappresentative di una generica aria secca, per tutti le altre sostanze i valoridi concentrazione riportati devono essere visti come un ordine di grandezza indicativo.I gas nell'aria secca si trovano ad una temperatura superiore alla temperatura critica (cioè allatemperatura sopra la quale non è possibile liquefare un gas) e/o presentano una pressione parzialeinferiore a quella di saturazione. Tanto più i costituenti elementari dell'aria soddisfano questecondizioni, tanto più lo stato di ciascuno di essi (cioè la temperatura, la pressione parziale e ladensità) soddisfa la legge dei gas perfetti (Matveev, 1965). Per la legge di Dalton si ha quindi chela pressione parziale dell'aria è la somma delle pressioni parziali dei suoi costituenti gassosi e,se questi ultimi si comportano come gas perfetti, anche l'aria secca si comporterà con buonaapprossimazione come un gas perfetto avente un peso molecolare medio di circa 28.96. Tenendoconto di tutto ciò, l'equazione di stato dell'aria secca è data dalla relazione seguente:p = R T[1.4]d ρdove ρ è la densità dell'aria e R d è la costante universale dei gas (287.053 J⋅K -1 ⋅kg -1 oppure a 2.8705hPa⋅K -1 ⋅m 3 ⋅kg -1 se la pressione è espressa in hPa). Dall’equazione di stato dell'aria secca si puòottenere una relazione che consente di determinare la densità dell'aria secca (in kg⋅m -3 ), nota lapressione (in hPa) e la temperatura (K):ρ = 0.3484 p T[1.5]—————————————————————————————————————- 6 -
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1. INTRODUZIONE AL PLANETARY BOUNDARY LAYER.—————————————————————————————————————tempo. Tutte queste sostanze sono presenti a concentrazioni assolute estremamente piccole, tali da nonessere rilevanti nei processi fisici atmosferici (tranne che in qualche misura sulla sua trasparenza, cheva ad alterare i bilanci energetici radiativi), ma importanti per la già ricordata azione dannosa sugliorganismi viventi.Componente Simbolo Peso Molecolare Concentrazione (% in volume)Azoto N 2 28.01 78.084Ossigeno O 2 32.00 20.946Argon Ar 39.95 0.934Biossido di Carbonio CO 2 44.01 0.030Neon Ne 20.18 1.821 10 -3Elio He 4.00 0.524 10 -3Metano CH 4 16.04 0.150 10 -3Kripton Kr 83.80 0.114 10 -3Idrogeno H 2 2.02 0.050 10 -3Xeno Xe 131.30 0.009 10 -3Ozono O 3 48.00 0.007 10 -3Ammoniaca NH 3 16.04 0.001 10 -3Iodio I 2 253.81 0.001 10 -3Biossido di Azoto NO 2 46.01 0.0001 10 -3Biossido di Zolfo SO 2 64.06 0.00002 10 -3Monossido di Azoto NO 30.00 0.00002 10 -3Acido Solfidrico H 2 S 34.08 0.00002 10 -3Monossido di Carbonio CO 28.01 tracceTab. 1.1: - Costituenti principali dell'aria secca.In Tab.1.1 è presentata una sintesi di quanto detto. Mentre per i gas permanenti le concentrazioniindicate sono sicuramente rappresentative di una generica aria secca, per tutti le altre sostanze i valoridi concentrazione riportati devono essere visti come un ordine di grandezza indicativo.I gas nell'aria secca si trovano ad una temperatura superiore alla temperatura critica (cioè allatemperatura sopra la quale non è possibile liquefare un gas) e/o presentano una pressione parzialeinferiore a quella di saturazione. Tanto più i costituenti elementari dell'aria soddisfano questecondizioni, tanto più lo stato di ciascuno di essi (cioè la temperatura, la pressione parziale e ladensità) soddisfa la legge dei gas perfetti (Matveev, 1965). Per la legge di Dalton si ha quindi chela pressione parziale dell'aria è la somma delle pressioni parziali dei suoi costituenti gassosi e,se questi ultimi si comportano come gas perfetti, anche l'aria secca si comporterà con buonaapprossimazione come un gas perfetto avente un peso molecolare medio di circa 28.96. Tenendoconto di tutto ciò, l'equazione di stato dell'aria secca è data dalla relazione seguente:p = R T[1.4]d ρdove ρ è la densità dell'aria e R d è la costante universale dei gas (287.053 J⋅K -1 ⋅kg -1 oppure a 2.8705hPa⋅K -1 ⋅m 3 ⋅kg -1 se la pressione è espressa in hPa). Dall’equazione di stato dell'aria secca si puòottenere una relazione che consente di determinare la densità dell'aria secca (in kg⋅m -3 ), nota lapressione (in hPa) e la temperatura (K):ρ = 0.3484 p T[1.5]—————————————————————————————————————- 6 -
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