Molti dei composti chimici presenti nell’atmosfera terrestre prendono il nome di “gas serra”. Queste specie gassose consentono alla radiazione solare di entrare liberamente nell’atmosfera e di trattenere parte della radiazione solare riflessa dalla superficie terrestre come energia termica. Nel corso del tempo si instaura un complesso equilibrio termico tra la quantità di energia inviata dal sole e quella irradiata dalla superficie. L’alterazione di questo equilibrio, con l’aumento di uno o più gas serra in atmosfera, porta a degli squilibri termici e un conseguente innalzamento delle temperature. Questo fenomeno è definito come “effetto serra”. I principali gas serra in natura che prendono parte a questo fenomeno sono: vapor d’acqua (H2Ov), anidride carbonica (CO2), metano (CH4), e ossido nitroso (N2O). Il vapore acqueo è il più potente gas serra ed è responsabile per circa due terzi dell’effetto serra naturale. Il secondo gas serra più importante è l’anidride carbonica. Il suo contributo è responsabile per il 5 - 20% dell’effetto serra naturale ed è la causa principale dell’effetto sera accelerato essendo il più emesso attraverso attività umane, difatti la sua concentrazione in atmosfera è aumentata del 142% dal livello pre– industriale al 2013 [WMO Greenhouse Gas Bulletin, n° 10: 06 November 2014]. Il terzo gas serra più importante è il metano. Anche se possiede un tempo di residenza in atmosfera breve e una concentrazione atmosferica bassa, è una molecola estremamente efficiente nell’assorbire il calore ed è responsabile per circa 8% dell’effetto serra, con picchi del 20% [G. Etiope et. al.,2008]. La concentrazione di metano in atmosfera è aumentata di 772ppb (parti per miliardo) dal periodo pre-industriale fino al 2013 [WMO Greenhouse Gas Bulletin, n° 10: 06 November 2014]. L’ossido nitroso ha una concentrazione atmosferica molto limitata ma un efficienza nel trattenere il calore molto elevata, circa 300 volte quella dell’anidride carbonica. Come abbiamo accennato, i gas serra possono essere di origine sia naturale che antropica. Elevate quantità di vapor d’acqua e anidride carbonica vengono rilasciate ogni anno in atmosfera dai sistemi vulcanici attivi, non solo durante i periodi eruttivi ma anche nei periodi di quiescenza. Emissioni naturali di metano in atmosfera sono legati al degassamento di vulcani di fango, largamente diffusi sull’intero pianeta. Recentemente l’organizzazione mondiale Intergovernmental Panel on ClimateChangedelle Nazioni Unite ha pubblicato una relazione internazionale (ICCP 2013) in cui, attraverso informazioni tecnicoscientifiche e socioeconomiche, ha valutato come il rischio del cambiamento climatico sia legato all’emissione di gas serra (principalmente CO2, H2O(v) e CH4), stimando che la temperatura media globale del suolo è aumentata di 0,6 ± 0.2K dalla fine del 19° secolo. L’IPCC rivela che: “c’è una nuova e più forte evidenza che gran parte del riscaldamento e dell’emissione di questi gas negli ultimi 50 anni siano attribuibili alle attività antropiche più che alle attività naturali” [Crosson, 2008]. Essendo l’effetto serra diventato un problema globale per la salute del pianeta è di fondamentale importanza disporre di strumentazioni analitiche per il monitoraggio di queste specie chimiche in atmosfera. Nel corso degli anni si sono utilizzate diverse tecniche analitiche per lo studio di questi gas in atmosfera al fine di capirne l’evoluzione. La tecnica più consolidata utilizzata per le misurazioni di specie gassose in atmosfera per oltre un decennio è stata la spettroscopia a raggi infrarossi non dispersiva (NDIRS). Nonostante la tecnica NDIRS abbia una buona precisione di misurazione per la maggior parte dei gas serra, questa tecnica risulta essere molto macchinosa e complessa in quanto necessita di frequenti azzeramenti e calibrazioni allungando notevolmente i tempi di analisi. Ultimamente in commercio sono stati introdotti dei nuovi strumenti molto più sensibili e precisi dei classici NDIRS. Questi strumenti, assimilabili ai vecchi spettrofotometri a doppio raggio, utilizzano una particolare cavità ottica Cavity Ringdown Spectroscopy (CRDS) che oltre ad offrire una maggiore sensibilità analitica, per un ampio numero di specie gassose, riducono i tempi analitici e non richiedono particolari operazioni di calibrazione. Alcuni di questi strumenti hanno come caratteristica principale, oltre la determinazione e quantificazione della specie gassosa, anche la determinazione della composizione isotopica, come ad esempio il Thermo Fischer Delta Ray per analisi del δ13C dell’anidride carbonica e il Picarro CRDS per l’analisi del δ13C del metano. Negli ultimi tempi questi strumenti al laser hanno esteso il loro campo di applicazione, difatti in aggiunta agli studi sulla qualità dell’aria, vengono anche impiegati per il monitoraggio di gas naturali, rilevamento di perdite nei giacimenti di carbone e studi sui flussi di gas dal suolo [Carapezza et. al., 2003]. In questo lavoro sono state testate le potenzialità in laboratorio ed in campagna del nuovo analizzatore Ultra-Portable Greenhouse Gas Analyzer (UGGA) prodotto da Los Gatos Research (LGR). Lo strumento è basato sull’implementazione della tecnica CRDS denominata “Off-Axis ICOS” che permette di determinare simultaneamente ed in continuo le concentrazioni di CO2, H2O(v) e CH4 in atmosfera all’interno di intervalli di concentrazioni dell’ordine dei ppm. Il lavoro ha avuto l’obiettivo di studiare gli errori e i tempi analitici per la determinazione delle concentrazioni di CO2, H2O e CH4 in atmosfera. Lo strumento è stato da prima testato in laboratorio e poi in campagna. Le analisi in laboratorio sono state svolte presso i laboratori analitici dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia di Palermo. Le prospezioni sono state eseguite lungo percorsi urbani e periferici di Palermo e lungo la faglia della Pernicana, nella zona etnea, a cui sono state associate tramite un GPS (Global Position System) informazioni sulle coordinate geografiche.

Lorenza Li Vigni, Y.O. (2015). Determinazione in continuo di CO2, CH4 e H2Ov in ambiente atmosferico attraverso tecnica ad assorbimento laser (UGGA).

Determinazione in continuo di CO2, CH4 e H2Ov in ambiente atmosferico attraverso tecnica ad assorbimento laser (UGGA)

Lorenza Li Vigni;Marco Liuzzo
2015-01-01

Abstract

Molti dei composti chimici presenti nell’atmosfera terrestre prendono il nome di “gas serra”. Queste specie gassose consentono alla radiazione solare di entrare liberamente nell’atmosfera e di trattenere parte della radiazione solare riflessa dalla superficie terrestre come energia termica. Nel corso del tempo si instaura un complesso equilibrio termico tra la quantità di energia inviata dal sole e quella irradiata dalla superficie. L’alterazione di questo equilibrio, con l’aumento di uno o più gas serra in atmosfera, porta a degli squilibri termici e un conseguente innalzamento delle temperature. Questo fenomeno è definito come “effetto serra”. I principali gas serra in natura che prendono parte a questo fenomeno sono: vapor d’acqua (H2Ov), anidride carbonica (CO2), metano (CH4), e ossido nitroso (N2O). Il vapore acqueo è il più potente gas serra ed è responsabile per circa due terzi dell’effetto serra naturale. Il secondo gas serra più importante è l’anidride carbonica. Il suo contributo è responsabile per il 5 - 20% dell’effetto serra naturale ed è la causa principale dell’effetto sera accelerato essendo il più emesso attraverso attività umane, difatti la sua concentrazione in atmosfera è aumentata del 142% dal livello pre– industriale al 2013 [WMO Greenhouse Gas Bulletin, n° 10: 06 November 2014]. Il terzo gas serra più importante è il metano. Anche se possiede un tempo di residenza in atmosfera breve e una concentrazione atmosferica bassa, è una molecola estremamente efficiente nell’assorbire il calore ed è responsabile per circa 8% dell’effetto serra, con picchi del 20% [G. Etiope et. al.,2008]. La concentrazione di metano in atmosfera è aumentata di 772ppb (parti per miliardo) dal periodo pre-industriale fino al 2013 [WMO Greenhouse Gas Bulletin, n° 10: 06 November 2014]. L’ossido nitroso ha una concentrazione atmosferica molto limitata ma un efficienza nel trattenere il calore molto elevata, circa 300 volte quella dell’anidride carbonica. Come abbiamo accennato, i gas serra possono essere di origine sia naturale che antropica. Elevate quantità di vapor d’acqua e anidride carbonica vengono rilasciate ogni anno in atmosfera dai sistemi vulcanici attivi, non solo durante i periodi eruttivi ma anche nei periodi di quiescenza. Emissioni naturali di metano in atmosfera sono legati al degassamento di vulcani di fango, largamente diffusi sull’intero pianeta. Recentemente l’organizzazione mondiale Intergovernmental Panel on ClimateChangedelle Nazioni Unite ha pubblicato una relazione internazionale (ICCP 2013) in cui, attraverso informazioni tecnicoscientifiche e socioeconomiche, ha valutato come il rischio del cambiamento climatico sia legato all’emissione di gas serra (principalmente CO2, H2O(v) e CH4), stimando che la temperatura media globale del suolo è aumentata di 0,6 ± 0.2K dalla fine del 19° secolo. L’IPCC rivela che: “c’è una nuova e più forte evidenza che gran parte del riscaldamento e dell’emissione di questi gas negli ultimi 50 anni siano attribuibili alle attività antropiche più che alle attività naturali” [Crosson, 2008]. Essendo l’effetto serra diventato un problema globale per la salute del pianeta è di fondamentale importanza disporre di strumentazioni analitiche per il monitoraggio di queste specie chimiche in atmosfera. Nel corso degli anni si sono utilizzate diverse tecniche analitiche per lo studio di questi gas in atmosfera al fine di capirne l’evoluzione. La tecnica più consolidata utilizzata per le misurazioni di specie gassose in atmosfera per oltre un decennio è stata la spettroscopia a raggi infrarossi non dispersiva (NDIRS). Nonostante la tecnica NDIRS abbia una buona precisione di misurazione per la maggior parte dei gas serra, questa tecnica risulta essere molto macchinosa e complessa in quanto necessita di frequenti azzeramenti e calibrazioni allungando notevolmente i tempi di analisi. Ultimamente in commercio sono stati introdotti dei nuovi strumenti molto più sensibili e precisi dei classici NDIRS. Questi strumenti, assimilabili ai vecchi spettrofotometri a doppio raggio, utilizzano una particolare cavità ottica Cavity Ringdown Spectroscopy (CRDS) che oltre ad offrire una maggiore sensibilità analitica, per un ampio numero di specie gassose, riducono i tempi analitici e non richiedono particolari operazioni di calibrazione. Alcuni di questi strumenti hanno come caratteristica principale, oltre la determinazione e quantificazione della specie gassosa, anche la determinazione della composizione isotopica, come ad esempio il Thermo Fischer Delta Ray per analisi del δ13C dell’anidride carbonica e il Picarro CRDS per l’analisi del δ13C del metano. Negli ultimi tempi questi strumenti al laser hanno esteso il loro campo di applicazione, difatti in aggiunta agli studi sulla qualità dell’aria, vengono anche impiegati per il monitoraggio di gas naturali, rilevamento di perdite nei giacimenti di carbone e studi sui flussi di gas dal suolo [Carapezza et. al., 2003]. In questo lavoro sono state testate le potenzialità in laboratorio ed in campagna del nuovo analizzatore Ultra-Portable Greenhouse Gas Analyzer (UGGA) prodotto da Los Gatos Research (LGR). Lo strumento è basato sull’implementazione della tecnica CRDS denominata “Off-Axis ICOS” che permette di determinare simultaneamente ed in continuo le concentrazioni di CO2, H2O(v) e CH4 in atmosfera all’interno di intervalli di concentrazioni dell’ordine dei ppm. Il lavoro ha avuto l’obiettivo di studiare gli errori e i tempi analitici per la determinazione delle concentrazioni di CO2, H2O e CH4 in atmosfera. Lo strumento è stato da prima testato in laboratorio e poi in campagna. Le analisi in laboratorio sono state svolte presso i laboratori analitici dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia di Palermo. Le prospezioni sono state eseguite lungo percorsi urbani e periferici di Palermo e lungo la faglia della Pernicana, nella zona etnea, a cui sono state associate tramite un GPS (Global Position System) informazioni sulle coordinate geografiche.
Settore GEO/08 - Geochimica E Vulcanologia
Lorenza Li Vigni, Y.O. (2015). Determinazione in continuo di CO2, CH4 e H2Ov in ambiente atmosferico attraverso tecnica ad assorbimento laser (UGGA).
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