Volume d’aria inspirata

Considerazioni sul volume d’aria inspirata in condizioni normali a riguardo delle problematiche del radon.

 

 

Introduzione sul volume d’aria inspirata

La fisiologia e la dinamica della respirazione umana è complessa. Per il nostro scopo faremo delle semplificazioni che si basano sui valori medi delle grandezze considerate.
Il volume d’aria coinvolto in un respiro di una persona, in condizioni di riposo, è variabile: dipende dalle dimensioni del corpo, dalla sua età, dal sesso, dalle condizioni fisiche generali dell’organismo, dalla situazione momentanea in cui ci si trova etc.
Ricordiamo tra l’altro che questo volume è solo una parte di quello potenzialmente inspirabile, ad esempio in modo forzato, e che poi i polmoni non arrivano mai a svuotarsi completamente.

Stampa francese con ritratto di donna e fiori
Mediamente, per gli scopi di questa scheda assumiamo che il volume di aria inspirata e scambiata con l’esterno sia di 0,5 litri.
La frequenza dei respiri è parimenti variabile, per esempio dipende molto dall’età e dall’attività fisica in atto. In condizioni di riposo, in un adulto, è di 12 – 20 respiri al minuto.
Nel nostro caso assumiamo che sia di 15 respiri al minuto, uno ogni 4 secondi, con 2 secondi medi di trattenimento dell’aria inspirata all’interno dell’organismo ad ogni ciclo.

Il volume d’aria inspirata in totale è pertanto di 7,5 litri al minuto, 450 litri ogni ora.

 

Composizione in ppm del volume d’aria inspirata

Dalla scheda “composizione dell’aria indoor”  ricaviamo la composizione del mezzo litro di aria inspirato nelle condizioni assunte in quella scheda: ambiente indoor tipico, condizioni fisiche ambientali standard (temperatura di 0 [°C] e pressione atmosferica di 1 [Atm]), inquinamento da radon pari a 100 [Bq/m3], assenza di particolati solidi o liquidi (amianto, pulviscolo, polveri, fibre, fumi, aerosol, etc.) e di vapori, ad eccezione del vapore acqueo. Esaminiamo quindi solamente i gas e il vapor d’acqua.

In tali condizioni la composizione dell’aria è approssimativamente la seguente (trascurando i gas con concentrazione < 0,01 ppm, ad eccezione del radon):

Volume d'aria inspirata. Tabella che elenca i gas che formano la composizione dell'aria indoor che respiriamo. Sono presenti i gas con percentuale maggiore di 0,01 ppm più il rado e il vapor d'acqua. Sono esclusi i gas inquinanti prodotti dalle attività umane che possono essere localmente presenti.

I gas scritti in corsivo potrebbero essere localmente presenti in percentuali sensibilmente superiori.
Nel calcolo del totale del 1’000’000 di ppm, il valore del vapore acqueo non va contabilizzato, per come erano stati precedentemente normalizzati tra loro quelli dei puri gas. Stessa considerazione vale per l’anidride carbonica che è stata aumentata a 407 ppm aggiornando il valore iniziale.

 

Composizione in Teram del volume d’aria inspirata

Prendiamo in considerazione, come già fatto nella scheda tecnica sopra citata, la composizione di gas presenti in un solo centimetro cubo d’aria di un ambiente indoor.

Per quantificare quanto detto più comodamente introduciamo una unità di misura che chiamiamo Teram (mille miliardi di molecole). Una Teram è quindi una enorme quantità di molecole mono o pluriatomiche di gas che circondano le molecole monoatomiche di radon.

Ricordando che il volume d’aria inspirata in una volta è pari a 0,5 litri, otteniamo la tabella:

Volume d'aria inspirata. Tabella che elenca, in Teram dei vari gas, il contenuto dell'aria di un respiro che accompagna il radon inspirato.

Sommando si ha un totale di 13,47 miliardi di Teram, che corrispondono a 13,47 E+21 molecole di gas inspirati ogni 4 secondi.

Nel volume di un centimetro cubo troviamo, nelle condizioni ipotizzate, circa 48 molecole monoatomiche di Rn-222, mentre nel volume di un respiro, insieme alle molecole di gas+vapore acqueo sopra elencate, ci saranno circa 48*500 = 24’000 molecole di radon.
Pochi secondi dopo l’inspirazione questi gas saranno espulsi, salvo il rimescolamento con quello che rimane momentaneamente all’interno dei polmoni e salvo l’avvicendamento ossigeno/anidride carbonica generato dall’apparato respiratorio.

 

Considerazioni sui danni sanitari causati dal volume d’aria inspirata

Il radon

Quanti dei 24’000 atomi di radon si sono trasmutati all’interno dell’organismo in quei pochi secondi di un respiro, sparando particelle alfa da 5,49 [MeV] e non uscendo poi più all’esterno?
Ricordando che la vita media del Rn-222 è di 5,5161 giorni pari a 476’591 secondi, la probabilità che un atomo decada durante i 2 secondi circa di permanenza nell’apparato respiratorio è 4,196 per milione. Praticamente quindi quasi nessun atomo si trasmuterà in quel piccolo lasso di tempo.

Se però teniamo presente che il ritmo di respirazione ipotizzato prevede 15 cicli al minuto, quindi 900 ogni ora, la probabilità complessiva in un’ora sale a 3,776 per mille. Pertanto in un’ora ci saranno circa 24’000*0,003776 = 91 eventi di atomi che emetteranno particelle alfa da 5,49 [MeV] all’interno dell’apparato respiratorio.
Il totale di energia emessa dalle particelle alfa del solo radon è 91*5,49 [MeV] pari a 500 [MeV]. A questa va aggiunta quella futura dei rispettivi figli a breve vita che rimangono all’interno, pari a 91*13,69 [MeV] = 1246 [MeV]. Il totale è di 1746 MeV.

La progenie

Esaminiamo quello che accade con la progenie prodotta dal radon nell’ambiente e che, essendo uniformemente libera nell’aria, può essere, almeno la parte non rimossa, anch’essa inalata.

Sappiamo dalla scheda tecnica “Concentrazione vs attività” che la concentrazione dei figli a breve vita in equilibrio con 100 [Bq/m3] di Rn-222, è di 26’800 [atomi/m3] per il Po-218, 232’000 [atomi/m3] per il Pb-214 e 172’300 [atomi/m3] per il Bi-214.
In mezzo litro di aria la loro presenza è rispettivamente di 13,4  116 e 86 atomi. Ipotizzando però che il coefficiente di equilibrio tra radon e progenie F sia 0,5 i valori si dimezzano e diventano 6,7  58 e 43. Il valore di F tiene conto anche della perdita di progenie non più libera in aria per “plate-out” o per ventilazione.
Dato che si può ritenere che una volta inspirati non possano più essere espulsi, questi atomi rimarranno per tutta la loro vita all’interno dell’organismo emettendo particelle alfa per un’energia totale di 6,7*13,69 [Mev] + 101*7,69 [MeV] = 868,4 [MeV].

Per trovare il totale dopo un’ora di respirazione occorre moltiplicare per 900 e si ottiene 781’560 [MeV]. Questa è dunque l’energia totale ceduta dalle particelle alfa della progenie del radon libera in aria e inalata, durante la sua vita futura all’interno dell’apparato respiratorio.

La progenie nata all’esterno nell’ambiente consegnerà all’apparato respiratorio quindi una dose 448 volte maggiore di quella dovuta al radon direttamente inalato. Il danno sanitario del radon da solo è perciò trascurabile confrontato con quello dei figli.
Per mitigare la dose assorbita dunque, oltre che abbattere la concentrazione del Rn-222, occorrerebbe sopratutto minimizzare F, se possibile.