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I segreti della grandine

Ogni anno sentiamo parlare di enormi “palle” di ghiaccio che cadono dal cielo e fanno danni enormi non sono solo alle cose (auto, case, etc.), ma anche alle attività produttive come l’agricoltura.

Oggi non mi voglio interessare dei danni che può fare la grandine, ma solo concentrarmi  sui meccanismi della sua formazione per capire a cosa essa sia dovuta e perché i chicchi di grandine possono avere dimensioni variabili fino ad arrivare a quelle di una palla come evidenziato nella foto di copertina.

La geografia dell’atmosfera

La parte di spazio che si estende dalla superficie terrestre fino a circa 16 km di altezza prende il nome di troposfera. È qui che avvengono i fenomeni climatici. L’aria della troposfera è composta non solo da ossigeno e azoto, ma anche da acqua, ossidi di azoto e zolfo, anidride carbonica, monossido di carbonio, gas nobili, sostanze organiche volatili che derivano sia dall’attività antropica che da quella naturale (per esempio, le molecole odorose che vengono rilasciate dalle piante), virus, batteri, funghi, spore e molto altro ancora. Naturalmente tutti questi sistemi sono posizionati a quote differenti in funzione delle loro dimensioni, cosicché, per esempio, virus, batteri, funghi e spore sono più vicini al suolo.

L’esperienza comune ci insegna che quando andiamo su in montagna la temperatura si abbassa. E chi è abituato a viaggiare in aereo sa che più in alto si sale più la temperatura tende a scendere: quanti di quelli che viaggiano in aereo non hanno mai letto sui monitor all’interno delle cabine che la temperatura esterna è di -32 °C oppure addirittura di -50 °C?

Vi siete mai chiesti perché?

Ne avevo già parlato l’anno scorso. Una spiegazione approfondita sulle variazioni di temperatura al variare della quota è al link seguente:

Fa freddo lassù?

In breve, possiamo dire che più vicini siamo al suolo, più risentiamo della radiazione elettromagnetica (indicata come infrarosso) proveniente dalla Terra.

Rimando al mio articolo dell’anno scorso per capire perché ci sono oscillazioni termiche man mano che si passa dalla troposfera alla stratosfera, da questa alla mesosfera e da quest’ultima alla termosfera.

E’ proprio la troposfera che dobbiamo tener d’occhio per spiegare la formazione della grandine.

Come si forma la grandine

Tutto ha inizio nei cumulonembi. Si tratta di nuvole a forte sviluppo verticale che si formano per effetto di processi convettivi attraverso cui enormi quantità di aria, contenente acqua, vengono movimentate sia verso l’alto che verso il basso, raggiungendo altezze che possono arrivare fino a 12-16 km. In queste enormi nubi le temperature sono molto variabili potendo passare da valori pari a 0 °C a valori compresi tra -50 e -60 °C.

Tutti noi sappiamo che quando l’acqua è a 0 °C si trova nello stato solido. Tuttavia, non tutti sanno che esiste una condizione che si chiama sopraffusione nella quale l’acqua è in una condizione metastabile, ovvero, in assenza di perturbazioni, essa permane nella fase liquida. Divertitevi a vedere cosa accade per effetto della sopraffusione:

L’acqua sopraffusa è presente prevalentemente nelle zone basse dei cumulonembi, mentre nelle zone più alte si formano dei piccolissimi granelli di ghiaccio, detti embrioni – il mio vecchio professore di chimica analitica li avrebbe chiamati “gemme” – che, per effetto delle correnti convettive, tendono a portarsi nelle zone basse delle nuvole. Quando i minuscoli granelli di ghiaccio incontrano l’acqua sopraffusa, la catturano. In questo modo le dimensioni delle gemme aumentano. Le correnti convettive riportano questi granelli accresciuti di nuovo verso l’alto e poi ancora verso il basso dove si accrescono ulteriormente. Quando le dimensioni delle particelle di ghiaccio diventano tali da non poter essere più trasportate dalle correnti convettive, queste ricadono verso terra sotto forma di grandine. Una descrizione più particolareggiata e corretta della formazione della grandine la potete trovare cliccando sull’immagine qui sotto.

Le dimensioni della grandine

Come ho scritto più su, la grandine si presenta di dimensioni molto differenti: si va da piccolissimi chicchi (pochi millimetri) fino a pezzi di ghiaccio delle dimensioni di palle da tennis o da baseball. Come mai c’è questa diversificazione?

Beh…tutto dipende dalla velocità con cui essa si forma, dalla direzione delle correnti convettive, dalla concentrazione di acqua sopraffusa e dalla temperatura alla base ed in quota del cumulonembo.

Nel filmato qui sotto potete osservare un “bombardamento” di grandine occorso a Rozzano circa una settimana fa (la notizia è qui)

Fonte dell’immagine di copertina

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Un esperimento sulla validità delle mascherine

Chi mi segue sa che ho già pubblicato un paio di articoli sulla validità delle mascherine che stiamo utilizzando per proteggerci dalla diffusione del Sars-Cov2.

Il primo di essi era una lettera aperta ad Enrico Montesano che, tempo fa, affermò in pubblico che le mascherine ci fanno respirare la nostra anidride carbonica e, quindi, sono pericolose. La mia lettera aperta è qui sotto:

Lettera aperta ad Enrico Montesano

Scrissi, poi, un secondo articolo per ribadire ancora una volta che le mascherine non sono in grado di trattenere l’anidride carbonica. Questo articolo fu scritto per rispondere a quelli che affermavano che la barriera posta davanti alla bocca non era in grado di far passare i miliardi di molecole di CO2 che espiriamo in ogni istante della nostra vita. Se siete curiosi, qui sotto c’è il link all’articolo:

Ancora su anidride carbonica e mascherine

Tuttavia, come sapete, le prove sperimentali regnano sovrane nel mondo scientifico. Qualche settimana fa, Daniel Puente ha pubblicato un interessantissimo video in cui ha provato che il livello di saturazione di ossigeno nel sangue non cambia quando si usa la mascherina (sia chirurgica che FFP2) in diverse condizioni fisiche: camminata normale e veloce. Qui sotto il filmato di una decina di minuti che vi consiglio di vedere.

Fonte dell’immagine di copertina

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Sugli insetti e sui parabrezza

Avete mai sentito parlare del widescreen phenomenon? No? Eppure, tra gli ecologisti della domenica va per la maggiore. Si tratta della constatazione che il numero di insetti stia diminuendo perché i parabrezza delle auto non sono più così sporchi di insetti spiaccicati come quando eravamo piccoli.

Sono le classiche elucubrazioni di gente che di scienza non capisce niente e capisce ancor meno di come si realizza un disegno sperimentale per trovare una risposta alla domanda “la popolazione di insetti su scala globale sta veramente diminuendo?” oppure “esiste una relazione tra l’uso di agrofarmaci e numerosità della popolazione di insetti?”, e potrei continuare, naturalmente. È la stessa tipologia di approccio pseudoscientifico che viene usato dai fantastici fautori di quella robaccia che si chiama omeopatia e che si riassume con “su di me funziona” (ne ho già scritto qui).

La cosa bella è che queste elucubrazioni vengono diffuse da siti molto seguiti (per esempio qui e qui) che contribuiscono alla cosiddetta disinformazione o cattiva divulgazione scientifica.

Vediamo perché la relazione tra parabrezza, numero di insetti spiaccicati e popolosità degli stessi sia una bufala.

Innanzitutto, dobbiamo cominciare col dire che uno studio su scala globale relativo alla perdita di biodiversità (non solo, ma limitiamoci alla biodiversità) va disegnato in modo tale da ottenere risultati non solo replicabili, ma anche riproducibili[1]. Alla luce di quanto scritto, è possibile pensare che il numero di volte in cui puliamo il parabrezza delle nostre automobili sia un dato attendibile? La risposta è no. Il motivo è abbastanza semplice: percorriamo sempre la stessa strada? Sempre alla stessa velocità? Sempre nelle stesse condizioni climatiche? Sempre con la stessa auto?

Esistono strade di tantissime forme, dimensioni e condizioni, tutti fattori che vengono sempre ignorati quando il windscreen phenomen è usato come indice per misurare la popolazione degli insetti. Non dimentichiamoci, inoltre, che le strade generano i cosiddetti bordi nel paesaggio. Come sanno tutti quelli che si interessano di indagini analitiche di ogni tipo, gli effetti dei bordi sono sempre difficili da misurare e generalizzare.

E come facciamo il campionamento? Guidiamo verso i bordi della carreggiata? Allora ci dobbiamo aspettare di campionare una popolazione di insetti di corporatura più massiccia di quelli che potremmo rilevare sul parabrezza se guidassimo esattamente al centro della strada. E a che ora pensiamo di fare il campionamento? Persino io che non sono un entomologo so che la tipologia di insetti che vivono negli ambienti intorno alle strade differisce a seconda del periodo della giornata in cui ci muoviamo. E cosa andiamo a misurare? Il numero di resti presenti sul parabrezza? La loro densità? La forza che usiamo per staccare i poveri resti degli insetti spiaccicati?

Ma non basta. Se io guido sempre nella stessa microzona del pianeta, mi posso permettere di estrapolare le mie pseudo-osservazioni ad altre zone del pianeta? Ovviamente no, perché le mie pseudo-osservazioni sono valide solo per la strada che percorro abitualmente, non per le altre. Chi mi assicura che gli insetti non si siano evoluti in modo tale da andare a popolare le zone limitrofe a quelle che io frequento abitualmente con la mia auto, solo perché hanno imparato che la zona che frequento è quella più pericolosa del sistema in cui essi vivono?

Eh, sì. Tutte quelle elencate, ed anche di più, sono le domande a cui dobbiamo rispondere per rendere un dato attendibile. Sfido tutti gli pseudo-ambientalisti che usano il windscreen phenomenon a rispondere in modo coerente a tutte le domande sopra elencate.

Letture aggiuntive e note

The windscreen phenomenon: anecdata is not scientific evidence

More than 75 percent decline over 27 years in total flying insect biomass in protected areas

Declining abundance of beetles, moths and caddisflies in the Netherlands

Parallel declines in abundance of insects and insectivorous birds in Denmark over 22 years

[1] Replicabilità e riproducibilità non hanno lo stesso significato. La prima si riferisce alla capacità del medesimo ricercatore (o gruppo di ricerca) di ottenere i medesimi risultati nello stesso laboratorio in tempi differenti. La seconda si riferisce alla capacità di ricercatori differenti in laboratori differenti e fisicamente lontani tra loro, di ottenere i medesimi risultati di una data ricerca scientifica.

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Ancora su anidride carbonica e mascherine

Vi ricordate la lettera aperta che all’inizio di ottobre ho scritto ad Enrico Montesano? No!? Eccola nel link qui sotto:

Lettera aperta ad Enrico Montesano

In questa lettera facevo notare al mai dimenticato Rugantino che quanto asseriva in merito alla pericolosità delle mascherine erano tutte sciocchezze. Lo facevo con la solita metodica scientifica, ovvero considerando gli aspetti quantitativi relativi alla dimensione delle molecole di anidride carbonica e quella dei pori delle mascherine attraverso cui il gas passa.

Per darvi una idea grafica delle conclusioni in merito al rapporto dimensionale tra la molecola di anidride carbonica e un poro di una mascherina chirurgica, potete far riferimento alla Figura 1.

Figura 1. Il puntino a sinistra è la rappresentazione di una molecola di anidride carbonica. Il cerchio a sinistra è la rappresentazione di un poro di una mascherina chirurgica.

In questa figura, considerando unitaria la dimensione della molecola di CO2 (il puntino a sinistra), un poro di una mascherina chirurgica risulta circa 800 volte più grande della molecola di anidride carbonica (cerchio a sinistra in Figura 1).

Nei giorni successivi alla pubblicazione della lettera aperta c’è stato un delirio di interventi (tra messaggi nel blog e lettere ai miei indirizzi e-mail) tutti a carattere monotematico. Ad eccezione di tre/quattro persone che si sono complimentate per aver finalmente evidenziato, numeri alla mano, l’incongruenza di quanto detto da Montensano e i figuri a cui egli si ispira, c’è stata gente che, per lo più in un italiano stentato e dimostrando di aver saltato tutte le lezioni sulle equivalenze fatte alle scuole elementari, pretendeva di mettere in dubbio i numeri riportati nella mia lettera aperta. Le argomentazioni andavano dall’aver usato concetti di chimica troppo complicati (SIC!), alla matematica troppo difficile (SIC!), al fatto che io non uso la mascherina in modo continuativo e non so cosa vuol dire stare tutto il giorno con questo dispositivo di protezione individuale, al fatto che non soffro di patologie che mi impediscono di indossare la mascherina. E potrei continuare.

Nel marasma di commenti tutti sulla falsariga di quanto appena riportato, ci sono stati alcuni interventi che meritano la mia attenzione. In sintesi, si tratta di commenti che evidenziano come le mie argomentazioni siano corrette considerando una singola molecola di CO2 ed un singolo poro di una mascherina chirurgica. Tuttavia, avrei dovuto considerare che noi espiriamo milioni di miliardi di molecole di anidride carbonica. I pori della mascherina rappresentano, quindi, un “collo di bottiglia” attraverso cui tutte quelle molecole non riescono a fuoriuscire tra un respiro e l’altro, con la conseguenza che reimmettiamo nel nostro organismo la CO2 che abbiamo appena espirato.

Purtroppo, la logica che ci ha consentito di sopravvivere alle belve feroci per arrivare fino ad oggi, non si può applicare in ambito scientifico dove i modelli che vengono sviluppati sono tutti, ma proprio tutti, controintuitivi. Inoltre, fare  affermazioni senza il supporto di dati numerici non è esattamente corretto sotto il profilo scientifico. Infatti, tutti i commenti in merito all’azione “collo di bottiglia” esercitata dalle mascherine erano di tipo aneddotico. Nessuno, ma proprio nessuno, si è mai peritato di fornire un modello matematico per spiegare i propri ragionamenti.

Vediamo perché l’idea del “collo di bottiglia” che non permette il passaggio della CO2 che espiriamo è completamente sbagliata.

Basta una banale ricerca in rete per trovare che la permeabilità (intesa come il flusso di gas che passa attraverso le mascherine per unità di superficie) è di circa 10 litri al minuto (L min-1) per le mascherine chirurgiche e di circa 5 L min-1 per le mascherine tipo FFP2 (qui). Volete sapere cosa significano questi numeri? Semplicemente che per ogni centimetro quadrato di mascherina, passano 10 L min-1 e 5 L min-1 (a seconda della tipologia di mascherina) di aria. Questi numeri sono stati misurati usando una pressione di esercizio di circa 20 mbar, ovvero la pressione esercitata dall’apparato respiratorio a riposo (qui). In ogni caso, più alta è la pressione esercitata contro le mascherine, maggiore è la loro permeabilità (qui). Considerando che il flusso di aria che espiriamo mediamente è di circa 6 L min-1 (qui), ne viene che di anidride carbonica tra la mascherina ed il viso non rimane nulla. In altre parole, non c’è alcun rischio di respirare la propria anidride carbonica.

Da dove viene, allora, la convinzione che le mascherine consentirebbero di respirare la propria “aria usata”?

Si tratta solo di fattori psicologici che nulla hanno a che fare con la reale capacità di una qualsiasi mascherina di impedire il passaggio dell’aria che fuoriesce dai nostri polmoni (qui e qui). In pratica, chi afferma che non riesce a respirare è solo vittima delle proprie impressioni personali che non hanno niente a che vedere con la realtà chimico-fisica delle mascherine il cui uso è fortemente consigliato (assieme alle distanze di sicurezza e ad elementari norme igieniche) per ridurre la dffusione del contagio da SARS-COV-2.

Note

Alcuni lettori del blog mi hanno chiesto come mai le mascherine chirurgiche vanno indossate in un ben preciso verso, ovvero con la parte colorata rivolta verso l’esterno. La risposta è stata data qualche tempo fa in questo link. In sintesi, la parte colorata di una mascherina chirurgica è fatta da materiale idrorepellente. Questo riduce la possibilità che le eventuali goccioline di saliva espirate da persone con cui, per esempio, stiamo parlando, possano penetrare attraverso lo strato colorato e raggiungere gli strati interni con possibilità di contaminarci.

Altri lettori mi hanno chiesto come mai gli occhiali si appannano quando indossiamo la mascherina. L’appannamento è dovuto al fatto che l’aria che espiriamo è calda. Quando le molecole di acqua calda che espiriamo entrano a contatto con la superficie fredda dei nostri occhiali, condensano dando luogo al fenomeno dell’appannamento (qui).

Letture e riferimenti

Characterization of face masks

An overview of filtration efficiency through the masks: Mechanisms of the aerosols penetration

Air permeability and pore characterization of surgical mask and gowns

On respiratory droplets and face masks

Characteristics of Respirators and Medical Masks

FONTE DELL’IMMAGINE DI COPERTINA
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Dormire nella stazione spaziale ISS

Oggi ero in auto. In genere mentre guido ascolto la radio. In uno dei tanti zapping veloci, mi capita di ascoltare un programma in cui l’ospite è un astrofisico. Questi parla della stazione spaziale ISS e della vita che si conduce a bordo.

Stazione spaziale ISS (Fonte)

Ciò che mi ha colpito moltissimo è stata la descrizione del come dormono gli astronauti.

Sapete che quando dormono in condizioni di assenza di peso, gli astronauti devono trovarsi in un ambiente con ottima aerazione?

La domanda vi sembrerà banale, ma ogni volta che ascolto notizie scientifiche mi trovo ad essere come un bambino di fronte ad un giocattolo. Anche se già lo conosce perché lo ha usato altre volte, lo guarda con meraviglia e pensa a cosa si possa ancora nascondere in quei meccanismi che ha visto centinaia di volte.

In effetti, siamo così abituati a vivere sulla Terra che neanche ci rendiamo conto che la vita in condizioni chimico-fisiche differenti richiede delle attenzioni particolari senza le quali essa non potrebbe esistere.

Quando ci sentiamo stanchi ed andiamo a letto, ci addormentiamo ma non per questo smettiamo di vivere. Continuiamo a respirare. Durante questa azione inspiriamo ossigeno ed espiriamo anidride carbonica. L’aria che circonda il nostro corpo, inclusa quella ricca di anidride carbonica che esce mentre respiriamo, è calda. Per questo motivo, si generano delle correnti convettive grazie alle quali l’aria calda (e per questo meno densa, ovvero più leggera) ricca di anidride carbonica che espiriamo si allontana verso l’alto venendo sostituita da aria fredda e più ricca di ossigeno.

Nelle condizioni di microgravità presenti nella stazione spaziale ISS, questi moti convettivi non si realizzano perché la microgravità porta ad assenza di peso e, quindi, non esistono zone di aria più leggere rispetto ad altre. La conseguenza è che durante il sonno, la testa degli astronauti viene circondata da una nuvola di anidride carbonica. Senza una corrente d’aria artificiale come, per esempio, quella generata da un ventilatore, la nuvola anzidetta non si disperderebbe turbando il sonno degli astronauti o, addirittura, portando alla morte, nel caso più drammatico.

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FONTE DELL’IMMAGINE DI COPERTINA
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Giulio Cesare ed i cambiamenti climatici

“Cosa c’entra Giulio Cesare con i cambiamenti climatici?”, vi starete chiedendo. Oppure state pensando: “ed ecco un altro prof. che è andato fuori di testa e fa associazioni pseudoscientifiche come capita a tutti”.

Ebbene no, miei cari lettori. Proprio ieri ho comprato il numero di Agosto 2020 della rivista Le Scienze. Ogni tanto ho bisogno di leggere riviste divulgative serie per fare pace con il mondo e convincermi che non tutto è perduto. Sapeste cosa mi scrivono certi figuri nei commenti del blog! Faccio passare solo i commenti che mi divertono di più, ma ce ne sono altri che, al confronto, la teoria della memoria dell’acqua è roba seria.

Ma torniamo a Giulio Cesare ed ai cambiamenti climatici.

Dicevo che ho preso Le Scienze di Agosto. A pagina 24, ci sono 13 righe in cui si parla delle cause che hanno portato Roma a diventare Impero dopo l’assassinio di Giulio Cesare occorso alle idi di Marzo del 44 a.C.. La notizia la potete leggere anche qui.

Devo dire che la lettura mi ha incuriosito ed ho cominciato a cercare in rete. Quello che ho trovato mi ha molto affascinato.

Pensate: è documentato che nel periodo immediatamente successivo a quello in cui Cesare fu assassinato, ci sono stati un paio di anni di freddo intenso. La temperatura, pare, si sia abbassata di circa 7 °C, mentre le precipitazioni si fecero molto più intense aumentando dal 50 al 120 % rispetto agli anni precedenti. Potete facilmente immaginare cosa vuol dire a livello agricolo un abbassamento della temperatura ed un aumento della pioggia di tale intensità. Ci sono stati sicuramente momenti di carestia che, assieme ai problemi politici che si sono presentati nello stesso periodo, possono essere considerati la concausa del passaggio dalla Repubblica all’Impero. In effetti, le peggiorate condizioni di vita dei contadini nel I secolo avanti Cristo, portarono a scontri sociali che si conclusero con la pace Augustea che riportò ordine nella società romana (Riferimento).

Una delle ipotesi che è stata formulata per spiegare le peggiorate condizioni di vita dei contadini romani nel I secolo a.C. è l’eruzione dell’Etna avvenuta nel 44 a.C. (Riferimento). Si è ipotizzato che tale eruzione avesse portato in atmosfera una quantità tale di polveri sottili da schermare i raggi del sole e provocare gli sconvolgimenti climatici associati ai periodi di carestia summenzionati. Tuttavia, pur rimanendo valida l’idea che una eruzione vulcanica fosse stata responsabile del cambiamento climatico iniziato a cavallo del 43-44 a.C., l’ipotesi dell’effetto dell’eruzione dell’Etna sul clima della penisola è stata sempre abbastanza controversa (Riferimento).

All’inizio di Luglio è apparso su Proceedings of the National Academy of the United States of America (PNAS), una rivista molto quotata nel mondo scientifico, un articolo a firma di un gruppo di ricercatori di diversa nazionalità dal titolo: “Extreme climate after massive eruption of Alaska’s Okmok volcano in 43 BCE and effects on the late Roman Republic and Ptolemaic Kingdom”. Lo potete scaricare, previo pagamento di 10 USD, cliccando sull’immagine qui sotto.

In questo lavoro i ricercatori hanno discusso delle analisi effettuate su carote di ghiaccio prelevate nell’Artico. Essi hanno evidenziando come la più probabile causa degli sconvolgimenti climatici occorsi nel I secolo a.C. fosse  non l’eruzione dell’Etna, ma quella del vulcano Okmok situato in Alaska.

Fonte dell’immagine

Nell’immagine qui sotto potete avere contezza delle distanze a livello planetario tra la posizione del vulcano ed il continente Europeo.

Sembra strano che l’eruzione di un vulcano così distante dall’Europa possa averne influenzato il clima, vero?

Vediamo allora cosa hanno fatto gli studiosi.

A quanto pare ogni vulcano ha una impronta chimica univoca in termini di molecole immesse in atmosfera per effetto delle eruzioni. I ricercatori hanno non solo attribuito le sostanze trovate nelle carote di ghiaccio proprio al vulcano Okmok, ma hanno anche datato l’eruzione relativa alla seconda metà del I secolo a.C.. Inoltre, usando i dati chimici identificati nelle carote di ghiaccio, i ricercatori hanno fatto delle simulazioni computazionali. In base ad esse, hanno potuto stabilire che intorno al 43 a.C. l’eruzione dell’Okmok ha portato in atmosfera tante di quelle particelle che si è avuta una riduzione della temperatura non solo in Europa, ma anche nel continente Africano. Come controprova delle loro simulazioni, i ricercatori hanno anche effettuato analisi dendrologiche  che hanno confermato le ipotesi sul ruolo dell’Omkok nelle variazioni climatiche del I secolo a.C..

Interessante, vero, come un’eruzione vulcanica a migliaia di chilometri di distanza dall’Europa possa aver indirizzato la politica romana.

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Le armi chimiche: i veleni naturali

Sapete che cosa è la chimica delle sostanze naturali? Si tratta di una branca della chimica che studia le proprietà chimiche (per esempio, struttura e conformazione) e la reattività di metaboliti primari e secondari delle piante e degli animali. La Treccani ne dà una bella definizione:

“È quel settore delle scienze chimiche che ha per oggetto lo studio della struttura, delle proprietà chimiche, delle trasformazioni delle sostanze organiche presenti negli organismi viventi (animali, piante o microorganismi), nonché del loro ruolo biologico”.

Perché vi sto dando questa definizione? Semplicemente perché sto leggendo un bel libro dal titolo “Storia dei veleni. Da Socrate ai giorni nostri” (Figura 1) in cui si descrivono le potenzialità venefiche di tantissime sostanze di origine naturale.

Figura 1. Libro sui veleni che ho acquistato recentemente

Non credo sia una novità che l’uso dei veleni sia noto fin dall’antichità. Essi venivano utilizzati sia per la caccia che per la guerra. Per esempio, nella seconda metà del XIX secolo, Alfred Fontan descrisse degli interessantissimi ritrovamenti nella grotta inferiore di Massat, nell’Ariège (Figura 2), un sito risalente all’epoca magdaleniana.

Figura 2. Zona dell’Ariege dove si trovano le grotte di Massat (Di TUBS – Opera propria. Questa grafica vettoriale non W3C-specificata è stata creata con Adobe Illustrator. Questa immagine vettoriale include elementi che sono stati presi o adattati da questa:  France adm-2 location map.svg (di NordNordWest)., CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45555827)

In particolare, tra i tanti reperti, furono individuate delle punte di lancia e freccia con delle interessanti scalanature (Figura 3).

Figura 3. Punte di lancia e freccia del periodo Magdaleniano (Fonte)

Negli anni successivi gli studiosi hanno compreso che le scanalature sulle punte di freccia e lancia servivano per fare aderire i veleni in modo tale che le prede (o i nemici), una volta colpiti anche in modo non mortale, potessero morire per effetto del veleno introdotto attraverso le ferite. Ancora oggi le popolazioni primitive che vivono nelle zone meno esplorate del pianeta fanno uso,  per la caccia o per la guerra, di punte  simili a quelle ritrovate nelle grotte di Messat .

Siete curiosi di sapere come si fa a rendere “velenosa” una punta di freccia o di lancia?

I veleni, come leggerete nel paragrafo successivo, vengono per lo più estratti dalle piante.  Jean de Maleissye, nel libro che sto leggendo, ci spiega come facevano alcune popolazioni dello Zimbabwe a preparare le loro armi. Molto verosimilmente, la stessa tecnica era applicata dalle popolazioni primitive.

“Si faceva a pezzi la pianta, la si mescolava ad acqua e si faceva bollire il tutto per molto tempo. Poi si lasciava ridurre il liquido finché non si addensava, assumendo la consistenza della pece. Il veleno veniva fissato sull’estremità superiore dell’arma tramite una cordicella che gli indigeni arrotolavano attorno alla punta. Lo spazio libero fra ogni spira di corda tratteneva infatti il veleno, quando vi si immergeva la punta dell’arma. Si lasciava seccare il preparato velenoso, poi si toglieva il filo. Con tutta probabilità, la cordicella consentiva di trattenere il veleno su superfici minuscole. Tale artificio impediva infatti al veleno di staccarsi prematuramente in grandi placche”.

Come cacciavano le popolazioni della civiltà magdaleniana?

Non lo sappiamo, in realtà. Possiamo immaginare dalle ricostruzioni basate sugli utensili ritrovati in giro per l’Europa, che i magdaleniani “dopo aver colpito con una o più frecce avvelenate un grande cervo o una renna, [ne seguono] le tracce per ore o anche per giorni, fintanto che, stremato dal veleno, dalla perdita di sangue e dallo sforzo compiuto, il grande animale non crolla in un bosco ceduo” (Fonte). Una volta catturata la preda, i cacciatori rimuovono la parte avvelenata e fanno a pezzi tutto il resto della carcassa che viene usata per alimentarsi.

Origine dei veleni

In genere si tratta di sostanze che vengono estratte dalle piante. Una di queste è la Aconitum napellus o aconito,  una pianta che cresce in zone montuose e nota, per le sue proprietà tossiche, già a i tempi dei Galli e dei Germani (Figura 4).

Figura 4. Aconito, pianta molto comune ed estremamente tossica

Le sue parti, incluse le radici, contengono miscele complesse di alcaloidi quali: aconitina, napellina, pseudoaconitina, aconina, sparteina, efedrina (Figura 5).

Figura 5. Struttura chimica dei principali alcaloidi presenti nei tessuti di Aconitum napellus.

Tutte queste molecole hanno attività neuro- e cardio-tossica. La loro dose letale è dell’ordine di pochi milligrammi (1-4 mg) per chilogrammo di peso corporeo.  Immaginate, quindi, cosa può succedere se una freccia avvelenata con questa miscela di alcaloidi vi colpisse anche in un punto non vitale. Il veleno entrerebbe nel sangue e sareste soggetti a “rallentamento dei battiti cardiaci, diminuzione della pressione arteriosa e rallentamento del ritmo respiratorio” fino a  paralisi cardiaca e respiratoria (Fonte). Anche l’ingestione di questa miscela di alcaloidi porta alla stessa fine.

Ma volete sapere un’altra cosa? Avete presente la “potentissima” medicina tradizionale cinese?

Ebbene, nel 2018, è stato pubblicato un lavoro di revisione della letteratura scientifica in merito alla tossicità degli alcaloidi dell’aconito. Il lavoro è liberamente scaricabile qui. Nell’introduzione si evidenzia come gli estratti della radice di questa pianta siano usati nella medicina tradizionale cinese come rimedi per problemi cardiovascolari, artriti reumatoidi, bronchite, dolori generici e ipotiroidismo. Non sono un medico, però a me sembra quasi la panacea di ogni male (mi correggano i medici che leggono questo articolo se sbaglio, per favore). Nella stessa introduzione viene anche rilevato che le autorità sanitarie di molti paesi asiatici sono costrette a regolamentare l’uso di questo preparato a causa della sua elevata tossicità. Infatti, tra il 2001 e il 2010 sono stati osservati, per esempio, ben 5000 casi di tossicità da alcaloidi di aconito. Come mai tutte queste intossicazioni? Semplicemente perché, come evidenziato anche in un lavoro del 2019 pubblicato su Forensic Science, Medicine and Pathology, una rivista della Springer con impact factor nel 2019 di 1.611 (si può liberamente scaricare qui), gli estratti di aconito vengono usati senza prescrizione medica ed è facile usare la logica spicciola secondo cui se la quantità x mi permette di guarire, allora la quantità xn mi farà guarire più velocemente. 

Conclusioni

La natura ci è nemica? Neanche per sogno. Allora ci è amica? neanche per sogno parte seconda. Alla natura non importa nulla di noi. I veleni possono essere considerati  la risposta evolutiva delle prede ai predatori. Quando, in modo casuale ed imprevedibile, una modifica genetica consente la nascita di una pianta con un corredo metabolico appena un po’ diverso da quello delle sue “compagne”, è possibile che essa diventi indigesta, ovvero tossica, per i predatori. Questa nuova caratteristica favorisce la sopravvivenza della pianta modificata rispetto alle sue “sorelle” non modificate. Nel momento in cui tutte le piante non modificate si sono esaurite a causa della pressione alimentare dei predatori, rimangono in vita solo quelle modificate da cui i predatori si tengono lontani… a meno di non capire che esse possono essere sfruttate non a fini alimentari ma per la caccia e per la guerra.

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La chimica delle mascherine chirurgiche

Chi mi segue sicuramente sa che qualche tempo fa ho dedicato un articolo alle mascherine necessarie per proteggerci dalla diffusione  del Covid19.

Come funzionano le maschere filtranti

 

In esso ho solo accennato alla funzione delle mascherine chirurgiche. Ora voglio entrare nel dettaglio della loro chimica.

Alzi la mano chi di voi non ha mai sentito parlare del tessuto non tessuto detto anche TNT.

No…non è il trinitrotoluene, noto per la sua potenzialità esplosiva. Quindi, se tra i miei lettori c’è qualche appassionato di “fuochi artificiali” non cerchi di dar fuoco al TNT di cui parlo in questo articoletto perché non otterrà alcun botto particolare, ma solo una bella fiamma.

Torniamo a noi.

Se facciamo una banale ricerca in Wikipedia, si trova che il tessuto non tessuto è un materiale in cui non è possibile distinguere una trama ben precisa come nel caso dei normali tessuti che indossiamo. Insomma si tratta di un materiale che viene ottenuto mediante dei procedimenti industriali particolari che, per ora, non rappresentano oggetto di discussione.

Le sue peculiarità lo rendono molto versatile tanto è vero che viene utilizzato in diversi campi: da quello edilizio a quello tessile, fino ad arrivare al campo medico. Ebbene sì, anche in campo medico questo materiale viene utilizzato. Infatti, santo Google alla richiesta di informazioni sul tessuto non tessuto restituisce, tra i tanti siti web, un link a un’azienda che vende chilometri di tessuto non tessuto per la fabbricazione delle mascherine chirurgiche di cui oggi abbiamo estrema necessità a causa del virus SARS-CoV2.

Ma cosa è questo TNT? Appurato che la sigla non si riferisce al trinitrotoluene, noto esplosivo, di cosa si tratta?

Ebbene, non è altro che banalissima plastica. Il termine che ho appena usato non è molto corretto, se vogliamo essere puntigliosi. Infatti, “plastica” è un termine generico che si riferisce a una classe di composti molto differenti tra di loro sia per caratteristiche chimiche che caratteristiche fisiche.

La plastica con cui è fatto il TNT può essere o polipropilene o poliestere. In realtà, se vogliamo essere ancora puntigliosi, bisognerebbe parlare di poliesteri e non di poliestere. Infatti, anche questa è una classe di composti che differiscono tra loro per proprietà chimiche e fisiche. In ogni caso, sono più che sicuro che ne avete già sentito parlare, non foss’altro per il fatto che questi nomi li trovate scritti sulle etichette dei vostri capi di abbigliamento quando leggete che assieme al cotone essi contengono anche poliestere e polipropilene (Figura 1).

Figura 1. Tipica etichetta di un capo di vestiario (Fonte)

Per poter avere una idea di quali siano gli oggetti di uso comune  che contengono le plastiche anzidette, potete far riferimento alla Figura 2.

Figura 2. Tipici oggetti fatti di plastica
Ma veniamo alle mascherine chirurgiche.

Esse sono fatte da strati sovrapposti di tessuti ottenuti sia con polipropilene che con poliestere. In particolare, lo stato esterno è costituito da un foglio di polipropilene che viene trattato per farlo diventare idrofobo e conferirgli resistenza meccanica. Lo strato intermedio può essere fatto sia da polistirene che da polipropilene che vengono lavorati in modo da produrre un foglio sottile con pori di diametro nell’intervallo 1-3 μm. Infine, il terzo strato (quando è presente) è fatto da polipropilene che ha il compito di proteggere il volto dallo strato intermedio filtrante (Figura 3). La capacità filtrante verso l’esterno (ovvero la capacità di trattenere le goccioline di sudore/saliva) di queste mascherine è molto elevata. Tuttavia, esse hanno una bassa capacità filtrante dall’esterno (Riferimento).

Figura 3. Strati di polipropilene con cui sono fatte le mascherine chirurgiche (Fonte)

Insomma, da questa breve digressione avete capito che le mascherine chirurgiche che indossiamo in questi giorni sono fatte di plastica.

C’è un impatto ambientale di questa plastica? Beh…se l’argomento vi intriga posso rimandare ad un secondo articolo l’impatto che le mascherine che usiamo hanno sull’ambiente.

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Fa freddo lassù?

Checché ne dicano chimici e fisici, le due discipline di cui essi sono rappresentanti sono strettamente correlate tra di loro. A certi livelli sono talmente incuneate l’una nell’altra che è difficile dire quando finisce la chimica e quando comincia la fisica. Prendete per esempio la quantomeccanica. Tutti quelli che ne parlano sono fisici, ma questa branca della fisica può essere considerata anche chimica grazie agli sforzi compiuti da Linus Pauling che, nella prima metà del XX secolo, si “inventò” la chimica quantistica, o quantochimica, per spiegare la natura del legame chimico (Figura 1).

Figura 1. Raccolta dei lavori di Linus Pauling in cui viene identificata la natura del legame chimico.

Fino a che Pauling non si impadronì della quantomeccanica per adattarla alla chimica, la rottura e la formazione dei legami chimici rimase in una sorta di limbo che faceva dei chimici dei veri e propri praticoni, abilissimi nel “maneggiare” le molecole, ma ancora lontani dal poter prima progettare e poi realizzare in laboratorio quanto avevano in mente.

Perché vi scrivo tutto questo?

Dovete sapere che in questo periodo di quarantena sono costretto a fare lezione per via telematica. Mi manca fortissimamente il contatto con gli studenti ed il poter trasferire le mie conoscenze non solo con le parole ma anche con la prossemica e con l’attività di laboratorio. In questo contesto sto studiando le lezioni che devo fare nelle prossime settimane per il mio corso di “Recupero delle aree degradate”. Una delle ultime lezioni riguarda la contaminazione atmosferica. È proprio ripassando le diapositive che presenterò tra un paio di settimane che ho realizzato anche a me stesso ciò che dico normalmente agli studenti dei miei corsi: chimica e fisica sono parenti stretti; non si può capire la chimica se non si conosce la fisica e non si può comprendere a fondo la fisica se non si hanno anche conoscenze chimiche. Sono sicuro che i miei amici fisici dissentiranno da quanto ho appena scritto, ma lasciatemi dire che chi afferma che per conoscere la fisica non c’è bisogno della chimica ha profonde falle cognitive. È come dire che la conoscenza umanistica non serve a chi si occupa di scienza. In realtà, la conoscenza umanistica aiuta a pensare, a mettere ordine nelle proprie idee, nel proprio modo di esprimersi e nel modo di presentare ciò che sappiamo.

Ma andiamo con ordine.

La fisica dell’atmosfera è direttamente legata alla sua chimica.
Nella Figura 2 si evidenzia la geografia dell’atmosfera con l’indicazione dei cambiamenti di temperatura (quindi una proprietà fisica) che si osservano man mano che ci allontaniamo dalla superficie terrestre.

Figura 2. Geografia dell’atmosfera con indicazioni dei cambiamenti di temperatura che si osservano al variare dell’altezza.

Usando il linguaggio tipico della Scienza del Suolo, la Figura 2 mostra il profilo dell’atmosfera nel quale è possibile individuare diversi orizzonti. L’orizzonte più vicino al suolo ha un’altezza di circa 16 km. Esso viene indicato col termine di troposfera in cui il suffisso “tropo” è di derivazione greca e vuol dire “mutazione”, “cambiamento”. La composizione chimica della troposfera è abbastanza complessa. Essa è costituita non solo da ossigeno ed azoto molecolari, ma anche da vapor d’acqua, anidride carbonica e tutte le altre varie anidridi come quelle di azoto e zolfo che hanno sia origine antropica che origine naturale. Per effetto dell’energia termica rilasciata dal suolo, le molecole di gas più vicine ad esso si riscaldano, diminuiscono di densità e si muovono verso l’alto venendo sostituite dalle molecole di gas più fredde e più dense che si trovano ad altezze maggiori. Si realizzano, quindi, delle correnti ascensionali (Figura 3) che sono sfruttate, per esempio, dai deltaplanisti o da chi è appassionato di volo senza motore.

Figura 3. Schema delle correnti ascensionali che si realizzano per effetto del riscaldamento al suolo delle molecole di gas atmosferico.

È proprio grazie all’energia termica rilasciata dal suolo che possiamo spiegare perché nella troposfera la temperatura diminuisce con l’altezza. Infatti, più vicini siamo al suolo, più risentiamo del calore emesso dalla superficie terrestre. Più ci allontaniamo dal suolo, più si riduce la temperatura per effetto della dissipazione del calore che proviene dalla superficie terrestre.
Tra 16 e 50 km di altezza c’è l’orizzonte atmosferico che viene definito stratosfera. In questo orizzonte c’è una concentrazione media di ozono che è dell’ordine delle decine di parti per milioni (v/v) contro i 0.04 ppm medi presenti nella troposfera. Questa elevata concentrazione di ozono rende conto dell’aumento di temperatura che si osserva man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre e si passa dai 16 ai 50 km di altezza. Infatti, le radiazioni luminose provenienti dal suolo, da un lato, consentono la degradazione dell’ozono (O3) ad ossigeno molecolare (O2) ed ossigeno radicalico (O∙) in una reazione esotermica, dall’altro consentono un aumento dell’energia cinetica dei gas della stratosfera con conseguente aumento dell’energia termica.
Tra 50 ed 85 km c’è l’orizzonte che chiamiamo mesosfera. In questo orizzonte si osserva di nuovo una diminuzione di temperatura all’aumentare dell’altezza. Infatti, la temperatura della mesosfera può arrivare fino a -90°C. Questa diminuzione di temperatura è legata alla riduzione della densità dei gas ivi contenuti. L’energia termica proveniente dal Sole, pur incrementando l’energia cinetica delle molecole di gas, non è, tuttavia, in grado (a causa della bassa concentrazione di tali gas) di portare ad un aumento della temperatura.
L’orizzonte incluso tra 85 e 500 km di altezza prende il nome di termosfera. La composizione chimica della termosfera vede la presenza di molecole di ossigeno e molecole contenenti azoto. La radiazione elettromagnetica proveniente dal sole consente la ionizzazione delle molecole anzidette in reazioni di tipo esotermico. L’esotermicità delle reazioni appena citate, associate all’aumento dell’energia cinetica dei sistemi gassosi presenti nella termosfera, portano ad un aumento della temperatura che può arrivare fino a 1200 °C. Gli ioni presenti nella termosfera non solo sono in grado di far “rimbalzare” le onde radio consentendo, quindi, le comunicazioni sul globo terrestre, ma sono anche responsabili delle aurore boreali. Infatti, essi assorbono energia solare riemettendola sotto forma di radiazioni luminose che danno luogo alle meravigliose scenografie che si osservano nell’emisfero Nord del nostro pianeta (Figura 4).

Figura 4. Aurora boreale (Fonte).
Conclusioni

Fa freddo lassù? La risposta corretta è: dipende. Dipende dall’altezza a cui ci troviamo e dalla chimica degli orizzonti del profilo atmosferico. Come dicevo più su, questo post nasce dal desiderio di condividere con voi le meraviglie di due discipline interconnesse tra loro: la chimica e la fisica. Come potete intuire leggendo questo breve articolo, le conoscenze chimiche riescono a spiegare i fenomeni fisici che si osservano nell’atmosfera. Spero possiate perdonare le inesattezze che sicuramente ho scritto e che tutto ciò possa innescare una discussione interessante.

Altre letture

Fundamentals of physics and chemistry of atmosphere

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