27/10/2009 Simulazione di dispersione di inquinanti in atmosfera 1 27/10/2009 È un problema di rilievo? • ALLARME PER LE POLVERI ASSASSINE Oms: per le PM10, in Italia muoiono 106 persone al giorno Studio dell'Organizzazione mondiale della sanità sull'inquinamento: "Nove mesi di vita in meno a causa delle polveri sottili" per l'Italia, ai cittadini della Ue l'inquinamento costa 8,6 mesi di vita. 2 27/10/2009 3 27/10/2009 Polveri • Le concentrazioni medie (stimate al 1999) andavano dai 44.4 mg m-3 di Palermo ai 53.8 mg m-3 di Torino • Con un aumento del 10% della concentrazione? Catena modellistica Dati di emissione Dati meteo Modello di dispersione Risultati Dati morfologici Integrazioni con osservazioni e misure Dati demografici ed ambientali Valutazioni d’impatto e rischio per la salute 4 27/10/2009 Esempio di applicazione DEM Area di Studio z (m) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 Cementirossi Stabilimento Pederobba (TV) sorgente 800 700 600 500 400 300 200 100 Esempio di applicazione portata (Nm3 h-1) emissione di polveri (mg Nm-3) emissione di SO2 (mg Nm-3) emissione di NOx (mg Nm-3) altezza dal suolo (m) velocità media dell’effluente (m s-1) • temperatura (°C) • diametro del camino (m) • • • • • • 5 27/10/2009 Competenze • • • • • • Quale modello sia appropriato Che dati inserire Come “far girare” il modello Trappole e problemi vari Capire l’accuratezza dei risultati Come riportare i risultati delle simulazioni Modello • Rappresentazione semplificata della realtà • Solo le caratteristiche che ci interessano – Problemi gestionali – Problemi “scientifici” • Utilizzati per predizioni e/o risolvere problemi • Spesso per identificare le migliori soluzioni per specifici problemi ambientali • Fisici – rappresentazione “scalata” della realtà • Matematici – relazioni matematiche ed equazioni 6 27/10/2009 Perché utilizzare un modello? • Valutare il rispetto di limiti di legge, criteri, standard ecc. • Progettare nuove costruzioni • Appropriate altezze di uscite dei fumi • Gestire emissioni già esistenti • Identificare chi più contribuisce a problemi di inquinamento atmosferico • Progettare reti di monitoraggio • Predire episodi critici • Stimare l’influenza di fattori geofisici sulla dispersione (morfologia del terreno, presenza di corpi idrici) • Risparmiare su costi di monitoraggio Visione generale 7 27/10/2009 In generale, un modello non può • Predire la precisa localizzazione e “timing” delle concentrazioni a livello del suolo con il 100% di accuratezza • Molto dipende dall’utilizzo appropriato del modello e dai dati di ingresso • Fattori più importanti – Modello appropriato – Informazioni accurate ed affidabili sulla sorgente – Disponibilità di dati meteo Atmosfera 8 27/10/2009 Definizione della componente atmosfera • Obiettivo della caratterizzazione dello stato di qualità dell'aria e delle condizioni meteo-climatiche è quello di stabilire la compatibilità ambientale sia di eventuali emissioni con le normative vigenti. • Le analisi concernenti l'atmosfera sono pertanto effettuate attraverso: • i dati meteorologici convenzionali (temperatura, precipitazioni, umidità relativa, vento), riferiti ad un periodo di tempo significativo • la caratterizzazione dello stato fisico dell'atmosfera attraverso la definizione di parametri quali: regime anemometrico, regime pluviometrico, condizioni di umidità dell'aria, termini di bilancio radiativo ed energetico Inquadramento normativo 9 27/10/2009 GLI STANDARD DI QUALITÀ DELL’ARIA • Sono vincoli (sanitari) che si mettono sulla concentrazione di inquinanti • Concentrazione: quantità di inquinante presente in un volume unitario di aria. • Per qualsiasi inquinante la concentrazione può esprimersi come massa per unità di volume (es. microgrammi per metro cubo, μg m-3). • La misura della concentrazione in aria di un inquinante è sempre associata all'intervallo di tempo a cui questa concentrazione è riferita (tempo di mediazione). Parametro essenziale nella valutazione delle concentrazioni, in quanto i valori associati per esempio a medie orarie (NO2) sono diversi da quelli associati a medie giornaliere (PM10) o annuali (NO2, SO2) Limiti di legge dal 1° gennaio 2010 10 27/10/2009 Stiamo rispettando i limiti? Mi ricordavo di un’indagine di AltroConsumo… • A Milano, durante gli orari di maggiore traffico, le polveri sottili superano mediamente di nove volte i limiti, con picchi anche di 15 volte sopra il massimo consentito: 50 microgrammi per metro cubo (Attenzione all’intervallo di mediazione). • A Roma il PM10 è più alto di tre volte, ma arriva quasi a sette nelle zone più trafficate. • Nella città lombarda la media è stata di 451 microgrammi per il PM10 e di 408 per il PM2.5; nella capitale di 141 e 116. • 152 i superamenti che ci sono stati nel 2006 a Milano, 125 quelli a Roma 11 27/10/2009 Fisica dell’atmosfera Struttura dell’atmosfera 12 27/10/2009 Fisica delle bassa atmosfera • La valutazione della qualità dell’aria e l’applicazione dei modelli di diffusione di inquinanti richiede la conoscenza specifica della meteorologia dello strato limite atmosferico (Planetary Boundary Layer, PBL). • Il PBL è la porzione di troposfera direttamente influenzata dalla superficie terrestre e suscettibile di mutamenti dovuti all’immissione di energia da essa proveniente con tempi dell’ordine dell’ora. • Spessore nell’ordine di alcuni km e varia con ritmo circadiano Planetary boundary layer •Porzione di atmosfera in cui i moti sono influenzati dalla presenza della superficie terrestre, oltre che dal gradiente orizzontale di pressione e dalla forza di Coriolis •Il moto del fluido si schematizza attraverso un componente di: •Trasporto caratteristiche medie del campo di moto •Dispersione turbolenza oscillazioni attorno al valore medio 13 27/10/2009 PBL Fisica delle bassa atmosfera • Esiste una relazione causa-effetto tra le variabili meteorologiche (intensità e direzione del vento, turbolenza meccanica, altezza dello strato di rimescolamento, presenza di inversione termica) e le concentrazioni al suolo di inquinanti emessi in atmosfera. • Il vento trasporta le molecole o le particelle di inquinante emesse dalla sorgente, determinandone, in base all’intensità, la loro separazione in senso longitudinale 14 27/10/2009 Planetary boundary layer • L’effetto trasporto influenza soprattutto i moti orizzontali • Quantificato attraverso la conoscenza della struttura del campo di vento medio (direzione e velocità) • Stimato attraverso il campo di vento • La dispersione turbolenta influenza le caratteristiche dei moti verticali del fluido • Generata dal riscaldamento della terra (turbolenza convettiva) e dalla presenza di rilievi e rugosità (turbolenza meccanica) • Stimato attraverso dei coefficienti di dispersione 15 27/10/2009 Fisica della bassa atmosfera La dispersione degli inquinanti in atmosfera dipende da: 1. la velocità del vento. Più è alta la velocità del vento, maggiore è la dispersione in atmosfera; 2. i moti turbolenti che caratterizzano i diversi strati dell’atmosfera. • Intensità del vento e turbolenza dell’atmosfera sono tra loro interrelati. • La turbolenza dell’atmosfera è influenzata dall’insolazione, che induce fenomeni di tipo termico, e dall’interazione del vento con il suolo, che induce fenomeni di tipo meccanico. Misure di turbolenza • Le diverse condizioni di stabilità atmosferica vengono solitamente rappresentate mediante una classificazione semplificata. • La piú utilizzata – ma anche la più grossolana in quanto applica una unica categoria di stabilità lungo tutta la verticale - è quella di Pasquill-Gifford che suddivide le diverse condizioni di turbolenza atmosferica in 6 diverse classi di stabilità: tre classi di instabilità (A, B, C), una classe neutra (D) e tre classi di stabilità (E, F, G). 16 27/10/2009 Instabilità Neutralità 17 27/10/2009 Stabilità 18 27/10/2009 Considerazioni Qualche considerazione empirica in sintesi: • all’aumentare della velocità del vento, l’atmosfera tende alla neutralità • nelle notti calme e serene il suolo si raffredda per irraggiamento, di conseguenza si raffreddano anche gli strati di aria più prossimi al suolo in maniera più pronunciata degli strati più alti: si tende alla stabilità • nelle ore di massima insolazione il suolo si riscalda e così gli strati di aria a lui prossimi; in condizioni di vento debole questo favorisce l’insorgenza di vortici convettivi dal basso verso l’alto, e quindi condizioni di instabilità • le nuvole di notte ostacolano il raffreddamento, di giorno il riscaldamento dei suolo e degli strati di aria a lui prossimi, favorendo in ogni caso le condizioni di neutralità • la nebbia al suolo favorisce condizioni di neutralità all’interno dello strato di nebbia, e di stabilità alla sommità (inversione in quota). Modellistica atmosferica 19 27/10/2009 MODELLISTICA • Il modello è uno strumento matematico che consente di stimare le concentrazioni in aria ed eventualmente le deposizioni al suolo di inquinanti in una certa zona. • Questi inquinanti possono essere: – quelli emessi da fonti di emissione antropiche e/o naturali (per esempio biossido di zolfo SO2, monossido di carbonio CO, benzene C6H6) – inquinanti primari – quelli che si formano, in tutto (per esempio ozono O3) o in parte (per esempio particolato PM, biossido di azoto NO2), in atmosfera a causa di processi fisici, chimici e fotochimici inquinanti secondari (O3) o con componente sia primaria che secondaria (PM, NO2) Modelli matematici •Modelli deterministici •Modelli stocastici MODELLI DETERMINISTICI EULERIANI Analitici A box A griglia LAGRANGIANI A traiettoria A particelle 20 27/10/2009 Criteri di classificazione Scala temporale: •modelli episodici, stimano le concentrazioni mediate su tempi molto brevi (da qualche decina di minuti a un'ora); •modelli a breve intervallo temporale: •(short-term models), fino a qualche giorno •modelli climatologici (long-term models), intervalli di tempo lunghi (un mese, una stagione, un anno) 21 27/10/2009 Criteri di classificazione Scala spaziale: •modelli a microscala (che simulano la dispersione ad esempio in un tratto di strada, un canyon urbano) •modelli a scala locale (fino a qualche decina di km) •mesoscala (fino a diverse centinaia di km) •scala sinottica (da migliaia fino a 10000-20000 km) •scala globale (fino a 40000 km) Modelli analitici •Sono modelli semiempirici che calcolano la concentrazione in un punto P(x,y,z,) a un certo “istante” t sulla base di una formula derivata sulla base del principio di conservazione della massa. •In tale formula compare l’intensità di emissione della sorgente considerata Q, la velocità media del vento U, più altri parametri semiempirici legati alle condizioni di stabilità dell’atmosfera. Si applicano per studiare la dispersione degli inquinanti primari in condizioni che non si discostano eccessivamente dalla omogeneità spaziale e dalla stazionarietà. 22 27/10/2009 Modello gaussiano 23 27/10/2009 Modello gaussiano Ipotesi •Processo stazionario •Condizioni meteo costanti •Trasporto turbolento trascurabile rispetto a x •Dispersione costante lungo y e z •Emissione costante •Suolo riflettente Perché i modelli gaussiani sono così utilizzati? • sono semplici da usare e richiedono pochi dati di ingresso (nodo critico, spesso difficile reperire dati!!) • con modifiche e adattamenti, descrivono accettabilmente una quantità di situazioni che si allontanano dalle condizioni ideali di stazionarietà e omogeneità • in particolare negli studi di VIA, anche in situazioni complesse, possono essere utilizzati come screening models • Rivestono un ruolo cardine negli studi di VIA 24 27/10/2009 Sito con numerose informazioni • Normativa, strumenti modellistici, manuali ecc. http://www2.dmu.dk/AtmosphericEnvironment/zic kus/links.htm 25