La composizione dell’atmosfera è in continua evoluzione. Varia da luogo a luogo a seconda dell’altitudine, della latitudine, del periodo dell’anno e dell’intera giornata. Tuttavia, è stabilito che i componenti principali nell’atmosfera al di sotto dei 60 km di altitudine sono azoto 78%, ossigeno 21% e argon 1%.
Il resto dei componenti sono le cosiddette specie di tracce. La concentrazione di questi composti che vengono emessi nell’atmosfera dai processi naturali, e negli ultimi tempi sempre più dall’attività umana, è inferiore allo 0,0001%.
Nonostante la loro bassa concentrazione, queste sostanze minori sono dannose per l’uomo, gli animali, le piante e le risorse naturali e artificiali. Inoltre, possono intervenire in molte reazioni nell’atmosfera e causare effetti sull’ambiente come smog fotochimico, piogge acide, buco nello strato di ozono e cambiamenti climatici.
Tra le principali specie in tracce vi sono gas come ossidi di azoto (NOₓ), monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO₂) e anidride solforosa (SO₂). Inoltre metano (CH₄), ozono (O₃), vapore acqueo (H₂O) e composti organici volatili (VOC). Oltre a specie in fase gassosa, l’atmosfera contiene anche particelle e aerosol di diversa natura e dimensione.
Agenti ossidanti atmosferici
L’atmosfera è l’involucro gassoso che circonda completamente la Terra e può essere suddiviso in strati in base alla variazione di temperatura con l’altitudine. Quando ci allontaniamo dalla superficie terrestre, si verificano una serie di variazioni di temperatura e pressione.
La pressione, che al livello della superficie del mare è di circa 1 atmosfera, diminuisce quasi esponenzialmente con l’altezza. Tuttavia, la temperatura non risponde a un profilo prevedibile come la pressione, quindi l’atmosfera può essere classificata in base alla variazione di temperatura in cinque grandi regioni, dall’alto verso il basso: esosfera, termosfera, mesosfera, stratosfera e troposfera.
Di questi strati dell’atmosfera, la troposfera è il più importante dal punto di vista chimico. È la regione in cui ci troviamo, dove si produce il clima e dove viene generata e/o emessa la maggior parte delle specie di tracce. Pertanto, è qui che avvengono i principali processi di trasformazione di queste specie.
La troposfera è un’area di grande reattività chimica dovuta all’ampia varietà di specie altamente reattive come i radicali idrossilici (OH), nitrato (NO₃), idroperossile (HO₂) e alchilperossile (RO₂), cloro (Cl) e la molecola di ozono troposferico (O₃). Questi composti sono considerati i principali agenti ossidanti troposferici; reagiscono con la maggior parte delle specie in traccia sopra menzionate.
Processi di pulizia atmosferica
Pertanto, la troposfera è lo strato dell’atmosfera che si comporta come un grande reattore chimico sulla Terra grazie alla sua potente capacità ossidativa. La maggior parte dei composti in traccia emessi vengono rimossi dalle reazioni di ossidazione chimica che coinvolgono i suddetti agenti ossidanti.
Senza questi processi, la composizione atmosferica e il clima sarebbero molto diversi da quelli odierni. Senza un efficiente processo di ossidazione, i livelli di molti composti in traccia potrebbero salire a concentrazioni così elevate da modificare radicalmente la natura chimica della nostra atmosfera perché molti di essi sono gas serra (anidride carbonica e monossido di carbonio, metano e ozono, acqua e ozono troposferico). Per questo motivo, le reazioni di ossidazione sono talvolta chiamate processi di pulizia atmosferica.
Va inoltre considerato che il clima influenza il potere ossidativo dell’atmosfera, poiché può favorire il trasporto di queste specie in tracce. Se questo trasporto è molto efficiente, significa che le emissioni locali di queste specie con vita media di pochi giorni possono essere trasportate su lunghe distanze, raggiungendo altre aree molto remote. Per questo le attività locali hanno implicazioni su scala globale e, al contrario, una determinata regione può ricevere un impatto come conseguenza di attività svolte in altre parti del pianeta.
Progresso della chimica atmosferica
I progressi nella ricerca sulla chimica dell’atmosfera hanno contribuito allo sviluppo della conoscenza dell’inquinamento atmosferico e hanno consentito la formulazione di politiche per proteggere la salute umana e gli ecosistemi. Sebbene ci siano ancora molte sfide da raggiungere, grandi traguardi sono stati raggiunti nella conoscenza di processi come il buco nello strato di ozono, lo smog fotochimico e le piogge acide.
La chimica dell’atmosfera sta avanzando rapidamente grazie soprattutto ai progressi nella comprensione dei processi chimici nell’atmosfera, all’innovazione nelle tecnologie di misurazione in situ e di telerilevamento dell’atmosfera e allo sviluppo di modelli matematici.
Vengono continuamente fatte scoperte che aiutano a comprendere meglio la capacità ossidativa dell’atmosfera. Ad esempio, uno studio pubblicato pochi giorni fa ha dimostrato che nell’atmosfera si forma un composto, l’idrotriossido (ROOOH), che sembra essere il prodotto della reazione tra gli agenti ossidanti RO₂ e OH.
ROOOH può decomporsi in una specie di ossigeno altamente reattiva, ossigeno singoletto (¹O₂*), che è un altro potente agente ossidante che potrebbe competere con i principali agenti ossidanti troposferici attualmente considerati nella chimica dell’atmosfera e partecipare ai processi ossidativi.
I prossimi anni vedranno senza dubbio incredibili progressi nella comprensione chimica dell’atmosfera terrestre. Si prevede che la ricerca si concentrerà sullo studio delle implicazioni e sulla mitigazione del cambiamento climatico, poiché è una delle maggiori sfide che la società odierna deve affrontare.
C’è molto lavoro da fare nell’affascinante campo della chimica dell’atmosfera e molti composti e reazioni da scoprire.
Autore
Diana Rodríguez Rodríguez, Università di Castilla-La Mancha
