Dispersione di inquinanti in atmosfera

27/10/2009
Simulazione di dispersione
di inquinanti in atmosfera
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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.
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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
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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)
•
•
•
•
•
•
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Fisica dell’atmosfera
Struttura dell’atmosfera
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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
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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
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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
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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).
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Instabilità
Neutralità
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Stabilità
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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
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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
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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)
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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.
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Modello gaussiano
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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
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Sito con numerose informazioni
• Normativa, strumenti modellistici, manuali ecc.
http://www2.dmu.dk/AtmosphericEnvironment/zic
kus/links.htm
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