Analisi e modellistica della qualità dell'aria nella città di Lecce

Scopo della tesi 
 I 
SCOPO DELLA TESI 
 
La valutazione dei livelli di concentrazione, dovuti alle emissioni degli inquinanti in 
atmosfera generati dalle sorgenti che insistono su un determinato territorio, è un 
parametro di primaria importanza ai fini della caratterizzazione della qualità dell’aria e 
della tutela della salute pubblica come previsto dalla normativa vigente.  
Gli ambienti urbani sono aree particolarmente soggette ai fenomeni di inquinamento 
e, nella città di Lecce, i contributi che incidono in maniera prevalente sono due: le 
sorgenti di riscaldamento domestico e il traffico veicolare. Nelle città il controllo della 
qualità dell’aria viene effettuato attraverso l’utilizzo di centraline fisse di monitoraggio, 
talvolta posizionate in aree non adeguate, il cui limite è quello di fornire informazioni di 
tipo puntuale e, quindi, non rappresentative dell’area nel suo complesso. Nell’ottica di 
una migliore caratterizzazione della qualità dell’aria diventa quindi necessario l’utilizzo 
di modelli numerici di dispersione, opportunamente validati, in grado di predire le 
concentrazioni degli inquinanti anche in quelle zone che non sono coperte dalla rete di 
monitoraggio presente.  
L’obiettivo del presente lavoro di Tesi è quello di valutare la qualità dell’aria nella 
città di Lecce mediante l’analisi di dati misurati dalle centraline di monitoraggio e dati 
simulati ottenuti dal modello di dispersione ADMS-Urban. Sono state realizzate diverse 
mappe di concentrazione utili all’individuazione di alcune aree della città di Lecce 
caratterizzate da livelli di inquinamento più elevati. Tali mappe costituiscono anche un 
utile supporto ad una pianificazione del traffico ed ad una riconfigurazione della rete di 
monitoraggio nell’ottica di una tutela più adeguata ed efficace della salute pubblica.
Introduzione 
 II 
INTRODUZIONE 
 
L’inquinamento dell’aria è uno dei maggiori problemi che interessano molte città 
italiane. Ciò è testimoniato soprattutto dalle centraline fisse di monitoraggio, laddove 
presenti, in grado di misurare in continuo e rendere disponibili le concentrazioni degli 
inquinanti. In città due dei maggiori responsabili dell’inquinamento atmosferico sono il 
traffico veicolare e il riscaldamento domestico. Il fattore traffico, ad oggi, rappresenta 
uno dei problemi irrisolti nonostante il miglioramento delle tecnologie e la diminuzione 
delle emissioni degli inquinanti dai singoli veicoli; tuttavia, non si è mai verificata una 
drastica diminuzione delle loro concentrazioni al suolo. I benefici attesi dal progresso 
tecnologico, dall’implementazione di misure di controllo più appropriate e da una più 
corretta pianificazione del traffico sono risultati vani considerando che, nel tempo, sono 
aumentati sia il numero dei veicoli circolanti all’interno delle città che il tempo 
impiegato negli spostamenti. 
Gli effetti degli inquinanti atmosferici sulla salute, sugli equilibri naturali, sul clima, 
dipendono principalmente dalla loro concentrazione e dalla loro composizione chimica. 
A sua volta, la concentrazione è influenzata dal numero e dall’intensità delle sorgenti 
che insistono su un determinato territorio, dalla distanza dello stesso da tali sorgenti, dai 
processi chimico-fisici a cui sono soggetti gli inquinanti e dalle condizioni 
meteorologiche a livello locale o a grande scala. A scala locale la dispersione degli 
inquinanti in atmosfera è dovuta all’intensità del vento, alle condizioni di turbolenza 
(meccanica e termica) dei bassi strati dell’atmosfera ed agli effetti meteorologici locali 
quali le brezze. A grande scala, invece, la dispersione è favorita dalle variazioni del 
vento con la quota e dalla turbolenza determinata dalle zone cicloniche ed 
anticicloniche. 
Tuttavia, i gas e le polveri delle città, oltre ad influenzare pesantemente il clima delle 
città stesse, contribuiscono in modo sostanziale ai cambiamenti climatici a scala 
regionale o globale a seguito di un aumento spesso incontrollato delle emissioni e della 
diffusione di inquinanti attraverso l’atmosfera terrestre. Anche il rilascio di CO
2
 
nell’atmosfera, dovuto alla combustione di combustibili fossili, ha contribuito a 
influenzare il riscaldamento globale e a determinare l’effetto serra. D’altra parte le
Introduzione 
 III 
emissioni di polveri dall’ambiente urbano in atmosfera contribuiscono al processo che 
tende ad intercettare la radiazione solare incidente e quindi a ridurre la temperatura 
globale. Altre attività urbane, invece, hanno effetti sull’atmosfera su larga scala e lunga 
distanza. Gli ossidi di azoto e gli ossidi di zolfo, rilasciati nell’atmosfera dalla 
combustione dei combustibili fossili di origine domestica e industriale, combinati con 
l’umidità atmosferica, danno luogo alle “piogge acide”, con effetti deleteri per gli 
ecosistemi. Inoltre, nelle aree urbane a traffico elevato, in presenza di elevata attività di 
irraggiamento solare, si assiste ad un particolare fenomeno di inquinamento, 
denominato “smog fotochimico” perché la radiazione solare è in grado di dissociare 
l’NO
2 
e formare l’ozono troposferico. 
Anche se in questo lavoro di Tesi non è stato esplicitamente trattata la problematica 
relativa al riscaldamento globale, una considerazione importante deve comunque 
riguardare i gas serra. Tra questi, la CO
2
 è uno dei sottoprodotti più ricorrenti delle 
reazioni chimiche che avvengono in atmosfera, anche se non si tratta di un importante 
inqinante dell’aria nel senso più classico del termine, quindi non soggetto a limiti 
imposti dalla normativa in vigore, in quanto non reagisce chimicamente per formare 
ulteriori prodotti e, allo stesso tempo, non è nocivo per la salute. Tuttavia la CO
2
 riveste 
un ruolo di fondo nei problemi di deposizione perché è co-responsabile del fenomeno 
delle pioggie acide, anche se non causa danni ambientali. Essa gioca un sottile ruolo 
nella perdita di ozono stratosferico, in quanto il riscaldamento globale nelle vicinanze 
della superficie della Terra, dovuto all’emissioni di anidride carbonica, intensifica il 
raffreddamento globale della stratosfera che, a sua volta, influenza in maniera negativa 
lo strato di ozono. Il controllo delle emissioni di CO
2
 è tuttora oggetto di dibattito della 
comunità internazionale ai fini di ridurre il riscaldamento globale (Jacobson, 2002). 
Il presente lavoro di Tesi riguarda l’analisi e la modellistica della qualità dell’aria 
nella città di Lecce. E’ noto che in ambiente urbano, il controllo dell’inquinamento è 
attuato attraverso l’utilizzo di centraline fisse di monitoraggio, costituenti i cosiddetti 
recettori puntuali in grado di documentare eventuali superamenti dei livelli critici di 
concentrazione per diversi inquinanti, stabiliti dalla normativa in vigore, in particolari 
zone delle aree considerate. Tuttavia, i dati forniti dalle centraline non risolvono il 
problema del monitoraggio della qualità dell’aria se si considerano una serie di limiti 
quali il monitoraggio di pochi parametri, i costi elevati (manutenzione e
Introduzione 
 IV 
strumentazione) e, di conseguenza, riduzione del numero di elementi che costituiscono 
la rete di monitoraggio con relativa inadeguatezza della stessa, la discontinuità di dati 
sia spaziale che temporale nonché l’errata ubicazione delle stesse. Per tali motivi, una 
rete di monitoraggio non discrimina le sorgenti che incidono maggiormente, in 
particolari aree urbane, perché fornisce informazioni solo di tipo puntuale non essendo 
in grado, quindi, di predire i livelli di concentrazione in zone non coperte dal 
monitoraggio. Da qui, l’esigenza di utilizzare strumenti di simulazione modellistica al 
fine di ottenere uno studio più completo sulla qualità dell’aria all’interno di una città, da 
affiancare, ai sistemi di monitoraggio già esistenti. I modelli numerici di dispersione 
ben si adattano all’esigenza di fornire risposte, in tempi rapidi, legate a fenomeni di 
inquinamento locale e, attualmente, trovano ampio utilizzo presso le Agenzie di 
Protezione dell’Ambiente sia di livello nazionale che internazionale. Nello studio della 
dispersione di inquinanti alla scala spaziale della città risulta importante isolare due 
aspetti fondamentali: la meteorologia locale e la diffusione. Questi due aspetti 
contribuiscono in maniera determinante e, di conseguenza, è utile fornire agli 
amministratori locali un supporto decisionale ai fini dell’adozione di determinati 
progetti e piani di sviluppo che mirino principalmente alla tutela e protezione della 
salute pubblica.  
Il presente lavoro si pone nel contesto delle problematiche di inquinamento collegate 
al traffico e agli impianti di riscaldamento domestico nella città di Lecce. In particolare, 
l’analisi delle misure di concentrazione derivanti dalla rete di monitoraggio 
dell’Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale della Puglia (Arpa Puglia) e delle 
simulazioni numeriche effettuate col modello operativo di dispersione ADMS-Urban ha 
permesso di effettuare uno studio dettagliato del territorio da un punto di vista della 
qualità dell’aria, mediante la realizzazione di mappe di concentrazione dei maggiori 
inquinanti e la predisposizione di tabelle utili ai confronti con la normativa vigente.  
Il presente lavoro è articolato come segue: 
 nel Capitolo 1 si introduce il problema relativo alla qualità dell’aria, attraverso una 
breve descrizione dei maggiori inquinanti e dei limiti imposti dalla normativa 
vigente; 
 nel Capitolo 2 vengono introdotti i concetti teorici che governano la dispersione 
degli inquinanti in atmosfera con particolare riferimento al Planetary Boundary
Introduzione 
 V 
Layer (PBL), alla stabilità atmosferica, all’equazione di avvezione-diffusione e una 
breve introduzione alle tipologie di modelli di dispersione; 
 nel Capitolo 3 si introduce il problema delle emissioni, da un punto di vista della 
modellistica. In questo capitolo vengono introdotti in maniera dettagliata, 
descrivendone le caratteristiche, sia il modello di dispersione utilizzato nel presente 
lavoro, ADMS-Urban, sia il software utilizzato per la creazione degli inventari di 
emissione, EMIT; 
 nel Capitolo 4, viene riportata l’analisi dei dati di monitoraggio rilevati dalle 
centraline presenti nella città di Lecce, nel periodo 2008-2010, attualmente gestite 
da Arpa Puglia. I dati in possesso sono poi messi in correlazione con i dati 
meteorologici al fine di evidenziare eventuali criticità; 
 nel Capitolo 5 sono riportate le simulazioni effettuate mediante l’utilizzo di ADMS-
Urban, ponendo l’attenzione sulle due sorgenti che hanno un impatto maggiore: 
sorgenti di tipo domestico e sorgenti di traffico. Le simulazioni hanno permesso di 
interpretare le concentrazioni misurate dalle centraline di monitoraggio e di 
caratterizzare in maniera più dettagliata la qualità dell’aria nella città di Lecce.
Capitolo 1 - Qualità dell’aria e normativa di riferimento 
 1 
CAPITOLO 1 - Qualità dell’aria e normativa di riferimento 
 
 
Nel presente Capitolo viene effettuata una caratterizzazione della problematica relativa 
alla qualità dell’aria attraverso la definizione dell’inquinamento atmosferico, le cause 
dello stesso, le emissioni in atmosfera degli inquinanti più comuni e i conseguenti effetti 
sulla salute pubblica. Vengono riportati, inoltre, i riferimenti e gli aspetti normativi sia 
a livello nazionale che a livello europeo. 
 
 
 
 
1.1 L’inquinamento atmosferico 
La conversione dei materiali in una città e la crescita della stessa producono non solo 
flussi diretti di rifiuti, ma anche una serie di effetti sull’atmosfera, sulla biosfera e 
sull’idrosfera, considerati in maniera distinta come inquinamento dell’aria, degli 
ecosistemi e dell’acqua. In questo contesto, l’inquinamento dell’aria è considerato 
essere uno dei requisiti base per la tutela della salute umana e per il benessere. 
L’inquinamento atmosferico è la situazione per cui in atmosfera sono presenti sostanze 
(gas di vario genere, aerosol e particelle di svariate dimensioni) a concentrazioni tali da 
essere superiori a quelle naturalmente presenti in aria e tali da poter produrre potenziali 
effetti nocivi sulla salute umana, sulla qualità della vita, sulla flora, sulla fauna, sul 
paesaggio. Negli ambienti urbani vari composti chimici vengono rilasciati in aria in 
quantità pari a centinaia di tonnellate all’anno e possono derivare sia da sorgenti naturali 
che da sorgenti antropiche, compartecipando ad una serie di complesse reazioni 
chimiche e fotochimiche in grado talvolta di sviluppare inquinanti secondari, come 
l’ozono (Gisotti, 2007).  
L’inquinamento di tipo naturale può derivare da sorgenti biotiche ed abiotiche quali 
piante, fenomeni di decomposizione, incendi delle foreste, sorgenti vulcaniche o 
geotermali nonché emissioni da suolo e acqua, mentre quello di tipo antropico è dovuto 
all’utilizzo sempre più diffuso di combustibili fossili e carburanti, alla crescita della 
produzione industriale, all’estrazione dei minerali, all’incenerimento dei rifiuti e 
all’attività agricola. Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità (Oms, 1997) gli
Capitolo 1 - Qualità dell’aria e normativa di riferimento 
 2 
inquinanti che possono causare gli effetti più rilevanti sulla salute dell’uomo sono 
l’anidride solforosa (SO
2
), il biossido di azoto (NO
2
), l’ozono (O
3
) e il particolato 
sospeso (PST).  
(Sozzi, 2004) Le sostanze emesse dall’uomo sono le più varie. I processi di 
combustione che hanno luogo nelle industrie e nei mezzi di trasporto sono i principali 
responsabili delle emissioni di ossidi di zolfo, di carbonio e di azoto. Le attività 
industriali sono le principali responsabili del rilascio in atmosfera di una schiera 
numerosa di sostanze inorganiche ed organiche. Nella tabella seguente vengono 
identificati i maggiori inquinanti atmosferici e le loro ripercussioni sugli esseri umani, 
sulle piante e sull’atmosfera (Tab. 1.1). 
Questi agenti sono i responsabili dei maggiori fenomeni di inquinamento 
atmosferico comunemente osservati e identificati come: 
 episodi di smog di tipo invernale, caratterizzati da un aumento dei livelli di anidride 
solforosa e di particolato sospeso; 
 episodi di smog di tipo estivo, caratterizzati da un aumento dei livelli di ozono e di 
ossidi di azoto (“smog fotochimico”); 
 esposizioni a lungo termine nelle aree urbane (anidride solforosa, ossido di azoto e 
particolato sospeso) (Gisotti, 2007). 
L’impatto dell’inquinamento dell’aria è ampio. Nell’uomo, la deposizione e 
l’assorbimento nei polmoni di composti chimici inalati può avere dirette conseguenze 
sulla salute. Inoltre, la salute pubblica può essere anche indirettamente interessata dalla 
deposizione di inquinanti dell’aria nelle varie matrici ambientali in quanto il loro 
accumulo nelle piante e negli animali potrebbe comportare l’ingresso di composti 
chimici nelle catene trofiche nonché influenzare la struttura e la funzione degli 
ecosistemi interessando la loro capacità di autoregolarsi (WHO, 2006).
Capitolo 1 - Qualità dell’aria e normativa di riferimento 
 3 
 EFFETTI SUGLI 
 ESSERI UMANI 
EFFETTI SULLE 
PIANTE 
EFFETTI SU 
ATMOSFERA/CLIMA 
Ossidi di zolfo 
(SO
2
 – SO
3
) 
Aggravamento di bronchiti e 
altre malattie dell’apparato 
respiratorio. Aumento della 
mortalità fra le persone con 
precedenti problemi 
respiratori e cardiovascolari 
Le piante più sensibili a 
tali inquinanti sono 
quelle con foglia a 
elevata attività 
fisiologica, come erba 
medica, orzo, uva, 
invidia, melo, pini 
La SO
2
 combinata con l’acqua 
atmosferica produce una 
miscela che riduce la visibilità 
e corrosiva di goccioline di 
acido solforico, le “piogge 
acide” 
Polveri sottili o 
particelle sospese 
(PM) 
Le polveri più fini, inalate, 
possono penetrare in 
profondità e depositarsi nei 
polmoni, fino agli alveoli, 
accentuando malattie 
dell’apparato respiratorio. 
Alcuni tipi di particelle, come 
quelle di amianto, risultano 
cancerogene 
Le polveri imbrattano le 
piante 
Le polveri rendono l’atmosfera 
meno trasparente alla 
radiazione solare e di 
conseguenza potrebbero ridurre 
la temperatura della superficie 
terrestre, almeno localmente. 
Anidride carbonica 
(CO
2
) 
  L’incremento di CO
2
 è il primo 
responsabile dello “effetto 
serra” e quindi dell’aumento 
della temperatura terrestre 
Monossido di 
carbonio (CO) 
Effetti su funzioni 
psicomotorie. Effetti su 
sistema cardiovascolare. Il 
legame CO-emoglobina del 
sangue forma 
carbossiemoglobina che, se 
supera il 2/5%, provoca i 
primi disturbi patologici 
  
Ossidanti 
fotochimici (ozono 
O
3
 e nitrati di 
perossiacetile 
PAN
S
) 
Nella bassa atmosfera 
l’eccesso di ozono e di PAN
S
 
produce effetti negativi 
sull’apparato respiratorio 
nonché irritazione degli occhi, 
del naso e della gola. Nella 
stratosfera la diminuzione di 
ozono, quindi l’aumento della 
radiazione UV sulla 
superficie terrestre, può 
provocare effetti negativi 
rilevanti sulla salute umana, 
come il cancro cutaneo 
Gli ossidanti fotochimici 
in eccesso causano 
lesioni alle foglie delle 
piante. Si verifica un 
calo della produzione 
vegetale. I PAN
S
 sono 
tossici per parecchie 
specie. L’aumento della 
radiazione UV provoca 
effetti negativi rilevanti 
anche sulle piante 
La diminuzione dell’ozono 
nella stratosfera, causata dal 
rilascio dei CFC da parte delle 
attività umane, provoca il 
“buco” di ozono e quindi 
l’aumento della radiazione UV 
sulla superficie terrestre 
Ossidi di azoto 
(NO
X
) 
Gli NO
X 
penetrano 
nell’apparato respiratorio e 
possono arrivare fino ai 
polmoni. Determinano 
irritazioni degli occhi e del 
naso e, in dosi elevate, 
possono causare  bronchiti, 
edema polmonare e morte 
Rallentano la crescita e 
causano danni simili a 
quelli provocati dalla 
SO
2
 
NO
2
 riduce la visibilità. Gli 
NO
X
, come la SO
2
, causano le 
piogge acide, inoltre sono 
precursori, insieme agli 
idrocarburi, degli ossidanti 
fotochimici  
Piombo Effetti sul metabolismo, sul 
sangue e sui reni. Il piombo si 
accumula nel corpo più 
rapidamente di quanto non ne 
venga escreto 
Si accumula sulle piante, 
nei pressi delle fonti di 
emissione, per esempio 
nei giardini lungo le 
strade principali e le 
autostrade 
 
Fluoruri Irritazione degli occhi, perdita 
di sangue dal naso, 
infiammazione delle vie 
respiratorie. 
A dosi elevate causano 
necrosi e clorosi e, in 
generale, riduzione nella 
crescita.  
 
Tab. 1.1. Maggiori inquinanti e loro effetti (Gisotti, 2007).
Capitolo 1 - Qualità dell’aria e normativa di riferimento 
 4 
L’obiettivo di ridurre i livelli di esposizione agli inquinanti è, tuttavia, complesso. 
Esso ha inizio con un’analisi che permette di rilevare i composti chimici presenti 
nell’aria, i loro livelli e la determinazione della probabilità che tali livelli di esposizione 
possano avere delle ripercussioni per la salute umana e per l’ambiente per poi 
sviluppare e implementare valide strategie di mitigazione al fine di prevenire rischi 
eccessivi per la salute pubblica (WHO, 2000). La necessità di tutelare l’ambiente ed in 
particolare quella di attuare una corretta gestione della qualità dell’aria, è una 
problematica che ha riscosso nel tempo un interesse sempre più crescente coinvolgendo 
l’opinione pubblica, le autorità competenti e gli operatori. La corretta gestione di tali 
problematiche ha richiesto la predisposizione di adeguati strumenti di intervento nei 
quali rientrano quelli normativi. 
1.2 Gli inquinanti e le emissioni 
Tradizionalmente si è soliti effettuare una distinzione tra inquinanti primari e 
inquinanti secondari: i primi sono rappresentati da quelle sostanze presenti nelle 
emissioni e che intervengono direttamente sulla salute umana quali il monossido di 
carbonio (CO), l’ossido di azoto (NO), gli idrocarburi, l’SO
2
 ed il particolato; i secondi, 
invece, sono le sostanze frutto di reazioni tra inquinanti primari o tra inquinanti primari 
e i componenti naturali dell’atmosfera. 
Tendenzialmente, gli inquinanti primari presentano le concentrazioni atmosferiche 
più elevate durante le ore di punta del traffico urbano (Fig. 1.1) sebbene possano essere 
osservati dei valori notevoli anche nelle ore notturne quando l’intensità del traffico è più 
contenuta. Ciò può essere associato alle condizioni di forte stabilità atmosferica che è in 
grado di causare livelli più alti di questi inquinanti. Quindi la componente 
meteorologica gioca un ruolo di fondamentale importanza, come si vedrà in seguito. Al 
contrario degli inquinanti primari, gli ossidanti fotochimici, in quanto prodotti secondari 
dell’inquinamento da traffico, aumentano nelle ore più soleggiate. Un aspetto molto 
importante è la correlazione esistente tra la concentrazione degli ossidanti fotochimici e 
l’interazione fra la topografia e il regime dei venti e della stabilità atmosferica (Gisotti, 
2007). 
Nei paragrafi successivi vengono brevemente illustrati gli inquinanti trattati in questo 
lavoro.