Possibili e/o probabili conseguenze e/o concause

dell'effetto serra :

 

Si prevede un raddoppio della quantità di Co2 in atmosfera entro la fine del prossimo secolo. Si avranno sicuramente conseguenze a vari livelli:

 

1)         Sul ciclo dell’acqua: progressivo scioglimento dei ghiacciai e dei nevai (che riflettono la luce del sole) con formazione di masse di acqua liquida (che assorbono, invece, i raggi solari), peggiorando ulteriormente la situazione;

Aumento del vapor’acqua che è anch’esso un gas serra;

Aumento delle nubi, che creano una copertura che trattiene il calore, con un effetto di riscaldamento, soprattutto notturno (le nubi però riflettono parte delle radiazioni nello spazio mitigando i loro effetti negativi).

2)        Sulle foreste: secondo l’ipcc anche il cambiamento di un solo grado di temperatura metterebbe a repentaglio la vita di molte specie vegetali, che hanno degli ambiti di tolleranza assai ristretti.

3)         Su praterie e pascoli: l’aumento dell’aridità potrebbe causare carestie e siccità sempre più gravi; aumenterà il contenuto di carbonio dell’erba a scapito dell’azoto, diminuendone il valore nutritivo per gli animali, favorendo invece lo sviluppo di specie legnose.

4)         Su i deserti: essi saranno ancora più caldi con pochi, violenti temporali e possibilità di inondazioni e fenomeni erosivi.

5)         Sulle montagne: si avrà una migrazione verso l’alto degli ecosistemi viventi, in maniera proporzionale all’aumento locale della temperatura. Lo spazio a disposizione sarà minore! Molte specie saranno quindi a rischio di estinzione.

6)         Sui ghiacci: l’ipcc Indica che cambiamenti della criosfera, con il progressivo scioglimento dei ghiacciai e del perma-frost saranno la manifestazione dei mutamenti climatici più drammatica.

7)         Su laghi fiumi e zone umide: si prevede una loro graduale diminuzione dovuta all’effetto delle perturbazioni del ciclo dell’acqua. Molte zone costiere e piccole isole potrebbero scomparire per il progressivo aumento del livello di mari ed oceani.

8)         Conseguenze sulla salute: aumenteranno sia le zone colpite dalla siccità che quelle colpite da uragani e inondazioni, con tutte le conseguenze che ciò potrebbe comportare. Aumenterà inoltre l’incidenza di alcune forme di inquinamento, di varie forme di allergie da pollini e polveri; molti batteri e virus potrebbero diventare più virulenti.

 

In questa pagina dedicata ad un possibile inquinante dell'aria, "Idrato di Metano". Vi chiederete perchè un argomento così diverso dalla meteorologia, ma anche correlato con essa. Tuttavia, questo componente potrebbe essere impiegato in alternativa come energia futura, ma anche produrre notevoli problemi per l'effetto serra. L'idrato di metano si presenta sotto forma di ghiaccio, questo giace nei fodali degli oceani ed in territori molto freddi sotto il manto terrestre, ma il cambiamento del clima ed il riscaldamento delle acque produrrebbe uno scioglimento di questa formazione solida che sprigionerebbe gas che entrando a contatto dell'ossigeno ne favorirebbe una diminuzione, in quanto le molecole di questo gas avrebbero il sopravvento su quelle dell'ossigeno facendo aumentare l'effetto serra. Inoltre questo gas ha una particolarità si infiamma ma non esplode.

Composti clatrati inorganici


Clatrati idrati


Formazione

Molte specie molecolari relativamente non polari, incapaci di formare legami d’idrogeno con l’acqua, sono in grado di formare clatrati idrati. Il primo noto storicamente, come già accennato, fu quello che si forma quando una soluzione acquosa di cloro viene raffreddata sotto i 9.0 °C, a dare un solido di formula Cl2.10H2O, scoperto nel 1810 da Sir Humphrey Davy. La formula fu confermata da Michael Faraday nel 1823 e la scoperta fu seguita dalla preparazione di una ampia varietà di idrati contenenti ospiti diversi: SO2 da de la Rive nel 1829, Br2 da Alexeyeff nel 1876, alcani, compreso il metano, da Villard nel 1888, gas nobili da de Forcrand nel1923, oltre a H2S, CS2, N2O e molti altri. In tutti questi l’ospite è imprigionato in un vuoto reticolare nel cristallo di ghiaccio e non è coinvolto in interazioni forti (legami d’idrogeno, dipolo-dipolo etc.) con le molecole host d’acqua. Specie come alcoli, acidi, NH3, in grado di formare interazioni forti non formano idrati, salvo pochi esempi in cui anioni (e.g. F-) sono incorporati nell’host senza produrre collasso. Questo tipo di inclusione è un tipico esempio di clatrazione, cosa ben diversa dalla formazione di sali metallici idrati stechiometrici come NiCI2 .6H2O, che di fatto contiene il complesso ottaedrico Ni(H2O)62+. I clatrati idrati solidi si formano in condizioni molto specifiche di temperatura e pressione. E’ notevole che ciò si realizzi ben al di sopra del normale punto di fusione del ghiaccio normale (Ih, ghiaccio esagonale, un network di legami d’idrogeno con struttura del tipo wurtzite o lonsdaleite). Per esempio, alcuni idrati di gas sono stabili fino a 31.5 °C. Questa alta stabilità termica rappresenta attualmente un problema per l’industria del gas naturale. Il trasporto del gas naturale (prima di tutto il metano) nei gasdotti dalle regioni di produzione a ghiacci perenni o a temperature molto basse (e.g. Alaska, Siberia e Mare del Nord) fino ai punti finali di consumo è soggetto a blocchi causati dalla formazione di clatrati idrati. Alti sono i costi annuali richiesti per attuare espedienti (deumidificazione e riscaldamento del gas, aggiunta di inibitori cinetici o termodinamici) atti a scongiurare il fenomeno.

 

Strutture

Il ghiaccio normale, iceano, Ih, è un network a legami d’idrogeno con canali esagonali non così grandi da poter ospitare specie molecolari.

Proprietà

Poichè la frazione molare dell’acqua nei clatrati idrati è di solito maggiore dell’85% vale la pena di confrontare gli effetti che le molecole ospiti producono sulle proprietà fisiche degli idrati rispetto al ghiaccio.

I dati da misure 1H NMR in stato solido indicano che a temperature inferiori a 50 K le strutture degli idrati, come per il ghiaccio, sono rigide. A temperature superiori, singole molecole d’acqua nelle strutture degli idrati cominciano a subire riorientazione e diffusione traslazionale. A 273 K, la velocità di diffusione è più di 100 volte quella nel ghiaccio. La riorientazione in situ avviene circa ogni 10 μs, contro i 21 μs nel ghiaccio. Questa diffusione rapida ha anche effetto sulla costante dielettrica del materiale, che è circa la metà di quella del ghiaccio. I dati nell’IR lontano suggeriscono, tuttavia, che i legami d’idrogeno sono di forza simile a quelli del ghiaccio. Di fatto, le distanze di legame d’idrogeno deteminate dalle strutture cristalline ai raggi X (Figura) nelle gabbie 512 sono solo l’1% più lunghe che in Ih.

Un’altra notevole differenza tra gli idrati e Ih è la loro conduttività termica, maggiore in Ih di un fattore di circa 5. Si ritiene che ciò sia dovuto a scattering fononico, conseguenza di vibrazioni e rotazioni anarmoniche delle molecole ospiti. Il fenomeno va ricondotto all’osservazione che il coefficiente di espansione termica è significativamente maggiore in genere per gli idrati rispetto al ghiaccio.

 

Applicazioni

Mentre la formazione degli idrati del gas naturale rappresenta attualmente un problema per l’industria del petrolio, con l’esaurimento dei combustibili fossili si può pensare che gli idrati del metano possano diventare una fonte combustibile di valore. Il calcolo della densità del metano negli idrati di metano, CH4.6H2O, indica che gli idrati rappresentano una forma altamente compressa del gas. L’energia reticolare dell’idrato di metano è tale che solo il 10 per cento dell’energia ricavabile dalla combustione del metano è necessaria per decomporre l’idrato.

Recenti stime collocano le riserve mondiali degli idrati di gas naturale nell’ordine di 5x1013 m3 sulla terra, specialmente nei ghiacci dell’Alaska e della Siberia, e altri 5-25x1015 m3 di gas negli oceani, specialmente attorno all’America Centrale. Nella Federazione Russa l’enorme deposito di gas idrato di Messoyakha è stato utilizzato come fonte di gas dal 1971.

Oltre all’uso degli idrati esistenti, è stato suggerito che i clatrati idrati possono trovare applicazioni nelle tecnologie di immagazzinamento e separazione. Bardhun ha mostrato nel 1962 la possibilità di utilizzare gli idrati nella desalinizzazione dell’ acqua di mare. Si è anche indagato la possibilità di usare gli idrati per l’immagazzinamento e il trasporto del metano senza l’uso di contenitori ad alta pressione.

Storia

Il clathrate idrato fu scoperto all’inizio del 1800 da due scienziati: Humphrey Davy e Michael Faraday. Stavano sperimentando miscele di cloro e acqua congelate, e notarono che queste miscele congelavano a temperature superiori allo zero. Durante il resto del secolo, molti altri scienziati studiarono questi materiali sconosciuti, e scoprirono che la molecola dell’acqua ghiacciata poteva ospitare al suo interno una molecola più piccola di un’altra sostanza, e questo stabilizzava il ghiaccio a temperature ad di sopra dello zero. Catalogarono molte molecole che potevano essere usate come “ospite”, per ogni varietà fu definita la temperatura per il quale il composto era stabile. Tuttavia, siccome in natura questi composti non erano conosciuti, rimasero come curiosità accademiche. La ricerca sui gas idrati subì un nuovo impulso nella seconda metà degli anni ’30, quando E.G. Hammerschmidt scoprì che l’idrato era il responsabile dei “tappi” di ghiaccio che si formavano nelle condutture di gas naturale, specialmente quelle situate nei climi freddi. Nei 40 anni successivi i ricercatori studiarono la fisica dei clathrati con lo scopo di comprenderne il modello e produrre degli additivi che ne impedissero la formazione. Verso la fine degli anni 60, l’interesse per i clathrati ha cominciato a cambiare drammaticamente quando "il gas naturale solido" o Methane Hydrates è stato osservato come costituente naturale dei sedimenti sotto la superficie nei giacimenti di gas giganti del bacino occidentale della Siberia. Sucessivamente l'idrato è stato trovato anche come giacimenti a se stanti nel permafrost del nord dell'Alaska. Gli scienziati, specialmente quelli della vecchia Unione Sovietica, cominciarono a supporre che le condizioni di pressione e temperatura necessarie per la formazione dei clathrati dovessero esistere non soltanto nelle regioni dove è presente il permafrost, ma anche sui fondali degli oceani.