Atmosfera

L’aria intorno a noi
L’aria che respiriamo è costituita da un miscuglio di particelle solide e liquide sospese in un mezzo gassoso, costituito a sua volta da: ossigeno (O2), (20,95% in volume) quasi interamente di origine biologica, prodotto da organismi autotrofi (vegetali) grazie alla fotosintesi clorofilliana;anidride carbonica (CO2) (in percentuale variabile) di origine naturale e antropogenica (ovvero generata dalle attività svolte dall’uomo: ad esempio i processi di combustione); acqua (H2O), (in percentuale variabile) che nell’atmosfera può trovarsi sotto forma di vapore, oppure allo stato liquido o solido;azoto (N2), pari al 78% in volume e argon (A) pari allo 0,93% in volume, entrambi gas inerti;altri gas come neon, kripton, xenon, idrogeno, ed altri ancora, che nell’insieme costituiscono solo lo 0,01% in volume dell’atmosfera.Le particelle solide e liquide (polveri varie, spore, pollini, ecc.) sono presenti in quantità ridotte e sono caratterizzate da dimensioni, caratteristiche fisiche e chimiche variabili.

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Aria per la vita
L’atmosfera è una componente essenziale per la vita sulla Terra poiché contiene l’ossigeno necessario alla respirazione degli organismi viventi.Inoltre funziona da filtro delle radiazioni nocive provenienti dal sole, riflettendole e impedendo loro di raggiungere il suolo, e consente alla superficie terrestre di mantenere una temperatura adatta alla vita di piante ed animali.L’atmosfera è anche la sede dei principali fenomeni meteorologici (vento, pioggia, neve, ecc.), che nel loro insieme costituiscono il clima.

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La respirazione degli organismi animali e vegetali
Attraverso la respirazione gli organismi vegetali ed animali si procurano l’energia necessaria per vivere e per crescere.La respirazione, che può essere considerata una combustione a bassa temperatura, libera l’energia accumulata nei composti organici, assunti dall’organismo mediante l’alimentazione, bruciando ossigeno e rilasciando anidride carbonica ed acqua.

In pratica, ogni volta che inspiriamo, l’ossigeno presente nell’aria arriva ai polmoni, entra nel sangue, viene portato a tutte le cellule del corpo e lì utilizzato nei processi di combustione che producono l’energia necessaria a mantenerci in vita.Le cellule, a loro volta, restituiscono al sangue i prodotti residui della combustione: anidride carbonica e acqua. Queste sostanze sono portate dal sangue nei polmoni, da dove fuoriescono nel momento in cui espiriamo.

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Chi e cosa inquina l’aria?
Per inquinamento atmosferico si intende la presenza nell’aria di sostanze che modificano la composizione e l’equilibrio dell’atmosfera e che causano effetti dannosi per l’uomo, gli animali, i vegetali e la qualità dell’ambiente.Gli inquinanti vengono classificati in base all’origine in:

  • inquinanti di origine antropica, generati dalle attività umane
  • inquinanti di origine naturale, derivanti, ad esempio, da incendi, eruzioni vulcaniche e dalla decomposizione di composti organici

Indipendentemente dalla loro origine, i contaminanti atmosferici possono essere classificati in:

  • inquinanti primari, come il biossido di zolfo o il monossido di azoto, immessi direttamente in atmosfera in seguito al processo che li ha prodotti;
  • inquinanti secondari, come l’ozono, generati dagli inquinanti primari, a seguito di reazioni chimico-fisiche di varia natura.

L’inquinamento di origine antropica proviene da grandi sorgenti fisse, come le industrie, gli inceneritori e le centrali termoelettriche, da sorgenti fisse di piccole dimensioni, come gli impianti per il riscaldamento domestico, e da sorgenti mobili, come ad esempio il traffico veicolare.

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Cosa succede se l’aria è inquinata?
Alcune sostanze inquinanti, se presenti in eccesso, possono produrre alterazioni chimiche e fisiche dell’aria che ne compromettono la capacità di “funzionare” correttamente e di garantirci le funzioni vitali.All’origine di questi inquinanti c’è generalmente l’attività dell’uomo (origine antropogenica), anche se in alcuni casi le sorgenti naturali contribuiscono in modo significativo. Gran parte dell’inquinamento dell’aria di origine umana proviene o dai combustibili fossili (la loro combustione è necessaria alla produzione di energia), o da processi chimici industriali.L’impatto sull’ambiente degli inquinanti dell’aria è variabile: alcuni composti agiscono prevalentemente su scala locale, cioè là dove sono prodotti e diffusi.altri, invece, coinvolgono intere regioni.Altri ancora hanno effetti su tutto il pianeta. Infatti, vi sono agenti atmosferici la cui “vita” è breve, dell’ordine di alcune ore o di qualche giorno, dopo di che cadono al suolo, mentre altri inquinanti rimangono attivi anche per lunghi periodi e possono diffondersi su un’area più vasta.

Questo ultimo tipo di inquinanti è in grado di influenzare le condizioni dell’ambiente su scala continentale e perfino planetaria, con un impatto negativo sulla salute delle popolazioni anche in luoghi molto distanti dalla sorgente di inquinamento.Nella maggior parte dei casi, il tipo e la quantità di inquinanti emessi nell’atmosfera dipendono dalla natura delle fonti energetiche utilizzate e dalle materie prime impiegate dall’uomo nei processi produttivi.

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Gli inquinanti e i loro effetti

Le polveri atmosferiche
Con il termine polveri atmosferiche si indica una miscela di particelle solide e liquide sospese in atmosfera, che variano per composizione, provenienza e dimensione. Le polveri possono essere rimosse dall’atmosfera per deposizione secca o umida e ricadere al suolo, sulla vegetazione o nei corsi d’acqua. Le polveri atmosferiche vengono classificate in base alla dimensione del diametro delle particelle (misurato in micrometri o μm. 1000 micrometri sono pari a 1 millimetro), che può variare da 0,005 a 100 μm. All’interno di questo intervallo si definiscono:

  • grossolane le particelle con diametro compreso tra 2,5 e 30 μ;
  • fini le particelle con diametro inferiore a 2,5 μm.

Le polveri grossolane hanno origine dai processi di combustione, dai processi erosivi e dalla disgregazione dei suoli. Pollini e spore rientrano in questa categoria di polveri.Le polveri fini derivano dalle emissioni del traffico veicolare, dalle attività industriali e dagli impianti di produzione di energia elettrica.Particolare attenzione viene riservata alle polveri con diametro inferiore ai 10 μm e ai 2,5 μm, denominate rispettivamente PM10 e PM2,5 (PM= Particular Matter). Il PM2,5 è incluso nel PM10 e ne costituisce il 60%. Il PM10 è una polvere inalabile, in quanto riesce a penetrare nell’apparato respiratorio fino alla laringe e respirabile perché, attraverso la respirazione, riesce ad arrivare fino agli alveoli polmonari. Queste polveri presentano un interesse sanitario superiore alle altre perchè sono associate a numerose malattie dell’apparato respiratorio e cardiovascolare. Le polveri possono avere sia origine naturale (emissioni vulcaniche, aerosol marini, spore, pollini, erosione del suolo,…) sia antropica (emissioni prodotte dal traffico veicolare, dalle industrie e dai processi di combustione).

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L’inquinamento fotochimico
Lo “smog fotochimico” è una forma di inquinamento tipica di tutte le principali aree urbane ed industriali del mondo. Si presenta, infatti, nelle zone ad alta densità di traffico o in prossimità delle stesse, quando sono presenti determinate condizioni climatiche (calma di vento o venti deboli, elevate temperature, ecc.) che provocano un aumento della concentrazione di gas inquinanti impedendo loro di disperdersi.In queste aree le concentrazioni di alcuni gas, come ozono troposferico, monossido di carbonio, particolato, COV, ossidi di azoto, superano molto spesso i valori limite, al disopra dei quali vi sono rischi di danni alla salute umana, alle produzioni agricole e alla vegetazione naturale.

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Le deposizioni acide
Con il termine deposizioni acide si indica il processo di ricaduta dall’atmosfera di particelle, gas e precipitazioni acide. Se questa deposizione acida avviene sotto forma di precipitazioni (piogge, neve, nebbie, rugiade, ecc.) si parla di deposizione umida, in caso contrario il fenomeno consiste in una deposizione secca. Per descrivere questi fenomeni si può utilizzare anche l’espressione “piogge acide”, con il quale, però, spesso si indica solo il fenomeno della deposizione acida umida.Le sostanze che danno origine alle deposizioni acide sono gli ossidi di zolfo (SOx) e gli ossidi di azoto (Nox), la cui origine in atmosfera può essere sia antropica sia naturale. Se questi inquinanti non vengono in contatto con l’acqua atmosferica, si depositano al suolo, dando rapidamente origine a composti acidi. Nel caso in cui, invece, questi inquinanti entrino in contatto con l’acqua atmosferica, allora i composti acidi si formano prima della deposizione al suolo. Partendo dagli ossidi di zolfo e dagli ossidi di azoto, si formano rispettivamente l’acido solforico e l’acido nitrico, che abbassano il normale pH dell’acqua da 5,5 a valori compresi tra 2 e 5, acidificando delle precipitazioni.Le deposizioni acide modificano l’acidità delle acque dei laghi e dei fiumi (rendendo impossibile la vita a pesci e altri organismi acquatici) e quella dei suoli (alterando la disponibilità degli elementi nutritivi, con conseguente riduzione della loro fertilità e produttività). Le deposizioni acide possono inoltre danneggiare direttamente la vegetazione (ad esempio, sciogliendo le cere di protezione delle foglie, le rendono più vulnerabili all’attacco dei parassiti), gli edifici, i monumenti. L’uomo e gli animali possono subire dei danni alla salute qualora si nutrano di alimenti provenienti da acque o suoli acidificati.

 

 

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Il benzene
Il benzene è una molecola a forma di anello composta da 6 atomi di carbonio e 6 atomi di idrogeno, che rientra nella famiglia di composti chiamati Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA). È una sostanza liquida, ma a temperatura ambiente volatilizza molto facilmente, ovvero passa dallo stato liquido a quello gassoso. Può avere origine sia naturale, ad esempio dalle emissioni vulcaniche, sia antropica. Nei centri urbani la sua presenza è dovuta quasi esclusivamente alle attività umane, quali il traffico veicolare, la raffinazione delle benzine e la distribuzione dei carburanti. In particolare, questo gas viene rilasciato principalmente dai gas di scarico e in misura minore dall’evaporazione della benzina in tutte le fasi di trasporto, stoccaggio e distribuzione della benzina. Il fumo di tabacco rappresenta un’importante fonte di benzene nei locali confinati, tanto che la concentrazione di questo gas nelle abitazioni dei fumatori risulta superiore del 35% rispetto quella nelle abitazioni dei non fumatori. Il benzene è assorbito per inalazione, contatto cutaneo o ingestione e può avere effetti cronici e/o acuti. L’effetto più noto dell’esposizione cronica al benzene riguarda la sua potenziale cancerogenicità.

 

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L’ozono
Il buco dell’ozono
L’ozono (O3) è un gas che allo stato libero si concentra tra i 15.000 e i 40.000 metri di altezza, in una fascia della stratosfera, detta ozonosfera, che funziona da schermo naturale nei confronti delle radiazioni solari ultraviolette, dannose per la vita degli esseri viventi. Da diversi anni la quantità di ozono nella stratosfera risulta diminuita per effetto di alcune sostanze di origine antropogenica, come i clorofluorocarburi (CFC), il bromuro di metile, i gas Halon e il metilcloroformio. Questi gas, raggiunta la stratosfera, liberano cloro e bromo, atomi in grado di interferire con le reazioni di formazione dell’ozono. A partire dagli anni ottanta si è registrata una lenta e graduale degradazione dell’ozono stratosferico, in modo particolarmente vistoso sopra l’Antartide. Le dimensioni e la rapidità di formazione del buco dell’ozono allarmarono la comunità scientifica internazionale: nel 1987 fu approvato il protocollo di Montreal, il primo documento internazionale che ha sancito l’obbligo di riduzione dell’utilizzo dei CFC. Ad oggi più di 190 paesi hanno aderito al protocollo di Montreal: nonostante sia stata registrata una diminuzione nell’impiego dei CFC a livello mondiale, ci vorranno anni prima che i CFC già presenti in atmosfera siano eliminati.La conseguenza più diretta del buco nello strato d’ozono è l’aumento della quantità di radiazioni ultraviolette (UV – frequenza da 100 a 400 nm) che riescono a raggiungere la superficie terrestre.

Queste radiazioni sono causa di:

  • maggiore rischio di tumori cutanei e di malattie degli occhi;
  • diminuzione delle difese immunitarie nell’uomo e negli animali;
  • riduzione della fotosintesi e danneggiamento del DNA delle piante con effetti significativi sull’agricoltura;
  • riduzione della produzione di fitoplacton nei mari, con danni rilevanti alla catena alimentare negli ecosistemi acquatici.

 

L’ozono a bassa quota
L’inquinamento da ozono fa riferimento ad un incremento della concentrazione di ozono nella troposfera, ovvero nello strato di atmosfera in cui si svolge la vita, e non va confuso con il buco dell’ozono. L’ozono troposferico si origina indirettamente, a partire da inquinanti primari, primo fra tutti il biossido di azoto, che interagiscono con la radiazione solare.L’ozono è dannoso per l’uomo e per l’ambiente in quanto è un fortissimo ossidante e i suoi effetti dipendono dalla sua concentrazione nell’aria, dal tempo di esposizione e dal quantitativo di aria inspirata.

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L’effetto serra
L’effetto serra è un fenomeno naturale, provocato da una miscela di gas presenti nell’atmosfera (definiti, appunto, gas serra) e senza il quale non potrebbe esserci vita sulla Terra. In questo ultimo secolo, però, l’intensa attività produttiva umana ha provocato un aumento della concentrazione di “gas serra” nell’atmosfera. Le cause sono duplici: da una parte, le crescenti emissioni originate prevalentemente dai processi tradizionali di produzione di energia (combustibili fossili); dall’altra, la progressiva distruzione delle foreste che, grazie alla fotosintesi clorofilliana delle piante, sono in grado di “assorbire” l’anidride carbonica presente nell’aria e trasformarla in materia organica (foglie, rami e radici), funzionando come dei veri e propri “serbatoi” o “pozzi” (in inglese “sink”) di anidride carbonica.

Se la concentrazione di gas serra continua ad aumentare ai ritmi degli ultimi decenni, c’è il rischio che si inneschi un rapido riscaldamento del clima terrestre, poiché la capacità dell’atmosfera di trattenere il calore sulla Terra diventa sempre maggiore. Un aumento eccessivo e in tempi brevi delle temperature dell’atmosfera e degli oceani avrebbe effetti drammatici sugli equilibri climatici, e notevoli impatti sull’uomo. Secondo alcuni esperti di clima, se non si modificheranno i comportamenti umani, nei prossimi 100 anni la temperatura della Terra potrebbe aumentare in media di 1,0 – 3,5°C. Altri dati ci danno un’indicazione delle variazioni intervenute nell’ultimo secolo: dalla rivoluzione industriale ad oggi la concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera è aumentata del 30%; nello stesso periodo la concentrazione di metano – emesso principalmente dalle risaie e dall’allevamento - è cresciuta del 145%. Molti studiosi, incaricati da organizzazioni nazionali ed internazionali, tra le quali il IPCC (Intergovernamental Panel on Climate Change), da alcuni anni effettuano un monitoraggio sul clima del nostro pianeta e studiano i possibili effetti dell’aumento di temperatura della bassa atmosfera e della superficie terrestre, che saranno approfonditi nel seguente paragrafo.

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Cambiamenti climatici: conseguenze
Sulla base delle ricerche dell’Organismo Internazionale che studia i cambiamenti del clima, l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), l’aumento delle concentrazioni di gas serra in atmosfera è la maggiore causa dell’intensificazione dei seguenti fenomeni.

  • Aumento della temperatura del pianeta: dal 1860 ad oggi la temperatura media della Terra è aumentata di 0.6°C e di quasi 1°C nella sola Europa. Gli scienziati prevedono un ulteriore aumento della temperature compreso tra 1,4 e 5,8°C entro la fine del secolo.
  • Aumento delle precipitazioni: soprattutto nell’emisfero Nord, e in particolare alle medie e alte latitudini. Nelle regioni tropicali e subtropicali, invece, diminuzioni delle piogge.
  • Aumento nella frequenza e nell’intensità di eventi climatici estremi: non ci sono ancora dati scientifici dimostrabili, ma pare che una conseguenza dei cambiamenti climatici possa essere l’aumento di eventi catastrofici. Potrebbero verificarsi lunghi periodi di siccità, improvvise piogge eccezionali, alluvioni, ondate di caldo e di freddo eccessivo. I cicloni tropicali potrebbero essere potenziati dall’aumento delle piogge violente, dei venti e del livello del mare.
  • Aumento del rischio di desertificazione in alcune zone.
  • Diminuzione dei ghiacciai e delle nevi perenni: 9 ghiacciai su 10 nel mondo si stanno sciogliendo ed è probabile che entro il 2050 il 75% di quelli svizzeri scompaia.

  • Crescita del livello del mare: negli ultimi 100 anni il livello del mare è aumentata di 10-25 cm e sembra che possa aumentare di altri 88 cm entro il 2100. Almeno 70 milioni di abitanti della zona costiera in Europa sarebbero a rischio.
  • Perdita di biodiversità: molte specie animali non saranno in grado di adattarsi a questi rapidi cambiamenti climatici. Gli studiosi, infatti, hanno stabilito che gli ecosistemi sono in grado di adattarsi a cambiamenti pari a 1°C in un secolo. Tra gli animali più a rischio troviamo gli orsi polari, le foche, i trichechi e i pinguini.
  • Problemi nella produzione alimentare: piogge eccessive e caldo intenso mettono a rischio le colture, provocando carestie e malnutrizione. La FAO sostiene che ci sarà una perdita di circa 11% di terreni coltivabili nei Paesi in via di sviluppo entro il 2080, con riduzione della produzione di cereali e conseguente aumento della fame nel mondo.
  • Diffusione delle malattie: sembra che il cambiamento climatico possa favorire la diffusione di malattie tropicali come la malaria e la dengue. Infatti, le zanzare che portano queste malattie, si stanno spostando verso nord, dove la temperatura è in aumento. Inoltre, l’aumento di temperatura favorisce l’inquinamento biologico delle acque, facendo proliferare organismi infestanti.

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I gas serra
I gas serra naturali comprendono il vapor d’acqua, l’anidride carbonica, il metano, il protossido d’azoto e l’ozono. Alcune attività dell’uomo contribuiscono ad aumentare la concentrazione in atmosfera di questi gas e, inoltre, liberano nell’aria altri gas serra di origine esclusivamente antropogenica. Vediamoli ora in dettaglio quali sono le caratteristiche dei principali gas ad effetto serra.

Vapore acqueo
Il vapore acqueo è il principale gas serra, responsabile dei 2/3 dell’effetto serra naturale per la sua abbondanza in atmosfera e per la sua efficacia. Il vapore acqueo atmosferico è parte del ciclo idrologico, un sistema chiuso di circolazione dell’acqua dagli oceani e dai continenti verso l’atmosfera in un ciclo continuo di evaporazione, traspirazione, condensazione e precipitazione. La sua concentrazione è molto variabile nello spazio, ma relativamente stabile nel tempo. Inoltre, non viene direttamente influenzata dalle attività umane, ma dipende esclusivamente dalla temperatura dell’aria. Per ogni grado Celsius in più, il contenuto di vapore nell’aria aumenta del 7%.

Anidride carbonica
L’anidride carbonica (CO2) è il principale gas serra derivante dalle attività umane ed è quello che maggiormente contribuisce all’effetto serra antropico. La CO2 è uno dei principali composti del carbonio e costituisce il principale veicolo attraverso il quale il carbonio è scambiato in natura tra le riserve (o serbatoi) presenti nell’atmosfera, idrosfera, geosfera e biosfera, attraverso i processi che costituiscono il ciclo del carbonio:

  • nella biosfera il carbonio è presente all’interno delle molecole organiche (es. lipidi, glucidi, ecc) con circa 2.000 miliardi di tonnellate o gigatonnellate
  • negli oceani il carbonio è sciolto in forma di carbonati e bicarbonati con 39.000 gigatonnellate
  • nella geosfera il carbonio si trova sotto forma di calcare con 90.000.000 gigatonnellate e combustibile fossile con 6.000
  • nell’atmosfera il carbonio è presente come anidride carbonica con 750 gigatonnellate.

Questi serbatoi sono legati tra loro da scambi, il cui bilancio naturale, in assenza di attività umane, è pressoché in pareggio. A partire dalla Rivoluzione Industriale, con l’intensificarsi delle attività umane, le concentrazioni di anidride carbonica in atmosfera sono aumentate ed oggi la CO2 è responsabile del 65% dell’effetto serra antropico. L’anidride carbonica derivante dalle attività umane è legata principalmente alla reazione di combustione dei combustibili fossili, alla deforestazione e al cambiamento dell’uso del suolo. La CO2 può permanere in atmosfera per un periodo che varia tra i 50 e i 250 anni prima di ritornare al suolo.

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Metano
Il metano (CH4) deriva dalla fermentazione anaerobica (cioè dalla decomposizione) della sostanza organica. In natura il metano viene emesso da paludi e mangrovie, mentre le emissioni antropogeniche provengono soprattutto dall’utilizzo di combustibili fossili, dalla zootecnica, dall’agricoltura (risaie) e dalle discariche. Pur essendo più potente della CO2, il metano contribuisce al 17% dell’effetto serra antropico, per via della minor concentrazione e del più breve tempo di residenza in atmosfera rispetto all’anidride carbonica.

Protossido di azoto
Il protossido di azoto (N2O) è un gas serra molto potente e con un tempo di permanenza in atmosfera molto lungo (120 anni). Le fonti naturali di N2O sono gli oceani, le foreste pluviali e i batteri presenti nel suolo. Per quanto riguarda l’attività umana, invece, deriva principalmente da fertilizzanti azotati utilizzati in agricoltura e in alcune produzioni industriali.

Clorofluorocarburi
I clorofluorocarburi o CFC, a differenza dei gas precedentemente descritti, che sono tutti presenti in natura, sono stati prodotti artificialmente dall’uomo e impiegati come refrigeranti, propellenti nelle bombolette spray ed estinguenti negli impianti antincendio. Oltre ad essere responsabili della distruzione dell’ozono stratosferico (buco dell’ozono) sono dei potenti gas serra che persistono in atmosfera per migliaia di anni. Le loro emissioni si sono notevolmente ridotte grazie all’applicazione del Protocollo di Montreal (1987) che ne ha proibito l’utilizzo. Tuttavia anche i loro sostituti (idrofluorocarburi e perfluorocarburi) sono potenti gas serra.

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Gas serra a confronto
Per calcolare il contributo dei differenti gas all’effetto serra bisogna considerare tre parametri fondamentali:

  • la concentrazione in atmosfera
  • il forcing radiativo di ogni gas, cioè la capacità di intrappolare l’energia che va dal nostro Pianeta verso lo spazio
  • la persistenza in atmosfera di ogni gas, cioè il tempo medio in cui un gas rimane in atmosfera; infatti, se un gas rimane in atmosfera per poco tempo avrà un minor effetto di uno che ci rimane a lungo.

Dal momento che i gas serra hanno diverse capacità di assorbire la radiazione infrarossa è stato introdotto il concetto di potenziale di riscaldamento globale (GWP = Global Warming Potential), per cui tutti i gas vengono rapportati all’anidride carbonica alla quale viene assegnato il potenziale 1.

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