IX
Nel caso dell’Italia, le particolari condizioni meteo – climatiche hanno un peso
rilevante per quanto riguarda gli effetti del particolato sulla salute umana; infatti la
diffusione di infiammazioni polmonari, malattie respiratorie e tumori associati
all’esposizione a PM10 e PM2,5, ha portato una crescente attenzione da parte dei
cittadini, degli organismi preposti alla salute dei cittadini e alle Istituzioni pubbliche
alle problematiche del particolato atmosferico.
In questo mio lavoro ho preso poi in esame la situazione attuale in Abruzzo, con
particolare attenzione alla città di Pescara in quanto è l’unica città della regione
monitorata quotidianamente ed in maniera permanente.
Non è comunque ancora del tutto chiaro quale sia il parametro, la concentrazione in
massa delle particelle, il loro numero, la composizione chimica, la morfologia,
maggiormente responsabile del verificarsi dell’effetto sanitario e quali siano i
meccanismi biologici degli effetti.
In particolare il PM2,5 è stato riconosciuto in diversi ambienti urbani come la
frazione predominante del particolato PM10, diversi studi epidemiologici hanno
messo in evidenza che questa frazione sia legata in misura maggiore agli effetti sulla
salute umana.
Agli effetti dovuti all’azione meccanica delle particelle si aggiunge si aggiunge
anche l’azione di trasporto nei tratti più profondi dell’apparato respiratorio di
composti estremamente pericolosi associato ai costituenti del particolato.
In Italia a tutt’oggi il taglio aerodinamico considerato dalla normativa per la
protezione della salute dell’uomo è quello del PM10.
Negli ultimi anni comunque l’attenzione per lo studio degli effetti sulla salute
dell’uomo si sta spostando a tagli di dimensione più piccoli PM2,5, PM1 e
submicronici.
Dal punto di vista normativo è in corso di preparazione una direttiva UE per il taglio
aerodinamico PM2,5.
Tutto questo allo scopo di sviluppare politiche che dettino criteri per la scelta delle
azioni più efficaci da intraprendere per la tutela ed il risanamento.
Per tutti questi motivi, negli anni, la materia è stata disciplinata a vari livelli.
X
Le direttive nazionali assieme alle leggi nazionali e regionali hanno prescritto
l’obbligo di misurazione in continuo dei parametri inquinanti dell’aria, portando alla
creazione delle reti di monitoraggio: attualmente queste forniscono l’insieme dei dati
necessari per la verifica dei limiti imposti dagli standard di legge.
I risultati della misura della qualità dell’aria rappresentano il punto di partenza per la
descrizione e lo studio dei fenomeni d’inquinamento; data l’ampia disponibilità delle
misure rilevate dalle reti di monitoraggio, sorge l’esigenza di estrarre la maggiore
informazione dei dati sperimentali, di elaborarla e di presentarla in modo fruibile per
i soggetti responsabili della Qualità dell’Aria.
Obiettivo primario di questo lavoro è stata la caratterizzazione della variabilità
spaziale dell’inquinamento atmosferico si a livello nazionale che regionale.
Tutte le elaborazioni sono state possibili grazie ai dati resi disponibili dall’A.R.T.A.
1
CAPITOLO PRIMO
IL PARTICOLATO ATMOSFERICO
2
1.1 Particelle nell’atmosfera: definizione
L’atmosfera urbana è caratterizzata dalla presenza di un insieme vasto ed eterogeneo,
da un punto di vista chimico – fisico, di particelle aerodisperse di dimensioni
comprese tra 0,005 e 100 µm, costituite essenzialmente da minerali della superficie
terrestre, prodotti di combustione e di attività industriali, artigiane, domestiche, sali
provenienti da aerosol marini, prodotti di reazione in atmosfera.
Le quantità di materiale particellare riscontrabili nelle atmosfere urbane sono in
genere dell’ordine di 50 – 250 µg/m
3
(1).
Fra queste particelle viene considerata sempre con maggior interesse per i suoi effetti
sulla salute della popolazione esposta la frazione inalabile, ovvero la frazione
granulometrica di diametro aerodinamico minore di 10 µm (PM 10).
La frazione granulometrica del PM10 formata da particelle di diametro aerodinamico
maggiore di 2,5 µm costituisce la frazione coarse, che una volta inalata può
raggiungere l’apparato respiratorio superando il livello naso-faringeo, quella
costituita da particelle con diametro aerodimanico minore di 2,5 µm (PM 2,5)
costituisce la frazione fine, che una volta inalata, è in grado di arrivare fino al livello
degli alveoli polmonari.(2).
Intervallo di diametro Definizione scientifica Definizione comune
d ≤ 0,01 µm Ultrafine mode
0,01 ≤ d ≤ 0,1µm Nucleation or nuclei mode
Polveri
ultrafini
0,1 ≤ d ≤ 1 µm Accumulation mode Polveri fini
d ≥ 1µm Coarse mode Polveri grossolane
TABELLA 1: Definizione in campo scientifico e definizioni comuni di polveri atmosferiche
Fonte: IFEC CONSULENZE S.A. “Strategia di lotta allo smog invernale al sud delle Alpi”.
1.2 Sorgenti di polveri atmosferiche
1.2.1 Sorgenti antropogeniche
Nel corso della storia l’uomo ha sempre utilizzato le risorse a propria disposizione in
modo pressoché indiscriminato, senza curarsi minimamente delle particolari ricadute
ambientali che potevano avere la sua presenza nell’ambito dei vari cicli naturali.
3
La distruzione e l’inquinamento ambientale sono sempre andati di pari passo con
l’evoluzione della cosiddetta civiltà.
Un tempo la popolazione umana era comunque molto meno rappresentata e l’impatto
ambientale risultava praticamente ininfluente, almeno in ambito globale.
Ora, purtroppo, l’enorme incremento demografico (3) e l’addensamento abitativo in
alcune specifiche zone comportano un’azione inquinante a livello locale e mondiale
notevolmente più elevata, estremamente preoccupante e spesso particolarmente
nociva sia per l’uomo che per l’ambiente.
L’inquinamento atmosferico maggiore è quello che l’uomo produce per soddisfare le
proprie necessità civili ed industriali.
I vari processi di combustione utilizzati per cuocere i cibi, per riscaldarsi, per
alimentare i veicoli a motore e i macchinari, producono gli inquinanti più diffusi.
L’inquinamento dell’aria di origine antropogenica (4) si sprigiona dalle grandi
sorgenti fisse (industrie, impianti per la produzione di energia elettrica ed
inceneritori); da piccole sorgenti fisse (impianti per il riscaldamento domestico) e da
sorgenti mobili (il traffico veicolare).
Molte di queste sorgenti sono strettamente legate alla produzione ed al consumo di
energia, specialmente combustibili fossili. L’uso di combustibili fossili per il
riscaldamento domestico, in particolare di oli combustibili pesanti, di biomassa e di
carbone è una fonte significativa di inquinamento ambientale di particolati e di
biossido di zolfo, specialmente nelle regioni temperate (soprattutto in Cina ed Europa
dell’Est).
Anche il traffico contribuisce in gran parte alle emissioni di questi inquinanti nelle
città caratterizzate da una grande congestione veicolare, e questo a causa della
presenza di una sterminata serie di autoveicoli che utilizzano benzine ad alto tenore
di zolfo (soprattutto in Asia).
Nelle città dove viene ancora utilizzata la benzina col piombo (l’ex benzina rossa), il
traffico può contribuire per l’80-90% alla concentrazione atmosferica di questo
pericoloso inquinante. Per quanto riguarda gli altri inquinanti principali (5) è da
sottolineare che nell’emissione di ozono e di composti organici volatili le sorgenti
antropogeniche hanno un ruolo fondamentale tanto quanto quelle naturali; le
4
combustioni in genere rappresentano la causa principale delle emissioni di ossido di
azoto; i motori dei mezzi di trasporto rappresentano tipicamente la causa principale
delle emissioni di monossido di carbonio. Oltre alle sostanze che vengono prodotte a
seguito dei vari processi di combustione, sono da segnalare tutti quegli inquinanti che
vengono prodotti nel corso di particolari cicli tecnologici. Questi composti vengono
liberati in quantità notevolmente inferiori e per questo risultano poco rilevanti come
impatto globale a livello planetario; in ogni caso, sono spesso dotati di elevata
tossicità, e la loro presenza è particolarmente importante a livello locale.
La strategia di approccio è chiaramente diversa: gli specifici inquinanti di origine
industriale sono infatti da ricercare non dopo la loro diffusione nell’ambiente
(immissioni atmosferiche), ma al momento del loro rilascio (emissioni atmosferiche).
L’impatto degli inquinanti sull’uomo dipende dalla zona di produzione degli
inquinanti e dalla loro dispersione.
Le grandi sorgenti fisse, spesso localizzate lontano dai più grandi centri abitati,
disperdono nell’aria a grandi altezze, mentre il riscaldamento domestico ed il traffico
producono inquinanti che si liberano a livello del suolo in aree densamente abitate.
Come conseguenza, le sorgenti mobili e quelle fisse di piccole dimensioni (6)
contribuiscono in modo maggiore all’inquinamento dell’aria nelle aree urbane e, di
conseguenza, attentano alla salute pubblica molto di più di quanto non si potrebbe
supporre facendo un semplice confronto quantitativo fra i vari tipi di emissioni.
1.2.2 Sorgenti naturali
Anche se è l’inquinamento originato dall’uomo quello che risulta più imputato nel
peggioramento della qualità dell’aria, non bisogna dimenticare l’importanza
dell’inquinamento di origine naturale.
Ci sono molte fonti di inquinanti naturali che spesso assumono più rilevanza delle
loro controparti di origine antropogenica. Gli inquinanti naturali dell’aria sono
sempre stati parte della storia dell’uomo.
Le polveri e i vari gas emessi dai vulcani, dagli incendi delle foreste e dalla
decomposizione dei composti organici entrano in atmosfera ad intervalli più o meno
5
regolari e in qualche caso a livelli che possono causare degli effetti drammatici a
carico del clima.
In ogni caso bisogna sottolineare che gli inquinanti naturali (7) non rappresentano
necessariamente un serio problema come possono esserlo gli inquinanti generati
dalle attività umane perché risultano spesso notevolmente meno pericolosi dei
composti prodotti dall’uomo e non si concentrano mai sulle grandi città .
Le sorgenti naturali di biossido di zolfo comprendono i vulcani, la decomposizioni
organiche e gli incendi delle foreste.
L’ammontare preciso delle emissioni naturali risulta difficile da quantificare, nel
1983 si stimava che le emissioni di biossido di zolfo si aggiravano sugli 80-290
milioni di tonnellate (le sorgenti antropogeniche nel mondo emettevano circa 69
milioni di tonnellate all’anno). Le sorgenti naturali di ossidi di azoto includono i
vulcani, gli oceani, le decomposizioni organiche e l’azione dei fulmini.
Le stime ipotizzano (8) un valore variabile fra i 20 e i 90 milioni di tonnellate
all’anno per le sorgenti naturali, mentre per quelle antropogeniche un valore attorno
ai 24 milioni di tonnellate. L’ozono è un inquinante secondario che si forma in
prossimità del livello del suolo come risultato di una serie di reazioni chimiche
catalizzate dalla luce. In ogni caso, circa il 10-15% dell’ozono troposferico proviene
dagli alti strati dell’atmosfera (stratosfera) dove si forma per azione dei raggi UV a
partire dall’ossigeno molecolare. L’importanza delle sorgenti naturali di particolato
è invece minore di quelle antropogeniche dato che originano particelle di dimensioni
tali da non poter arrecare danni rilevanti all’apparato respiratorio.
Includono i vulcani e le tempeste di sabbia.
Queste sorgenti solitamente non provocano degli episodi di inquinamento
particolarmente acuto in quanto l’inquinamento in genere avviene su scala temporale
relativamente ridotta.
Esistono comunque le eccezioni: l’esplosione del vulcano Saint Helens nel maggio
del 1980, per esempio, ha causato un peggioramento della qualità dell’aria negli Stati
Uniti ed in tutto il Pacifico nord-orientale per mesi dopo la sua eruzione, con
ripercussioni anche sul clima a livello mondiale. Le polveri provenienti dal Sahara
possono viaggiare nell’aria per migliaia di Km per poi giungere non solo in paesi
6
relativamente vicini come l’Italia e la Grecia, ma anche in zone più remote come il
Regno Unito (9). Molti composti organici volatili (COV) vengono prodotti in natura
dalle piante. L’isoprene è un comune COV (10) prodotto dalla vegetazione; alcuni
ricercatori ritengono che la sua importanza nello scatenare l’asma ed altre reazioni
allergiche sia molto più significativa di altri composti di origine antropogenica.
Le piante inoltre producono i pollini (considerati componenti del particolato
atmosferico) e tutti sono a conoscenza degli effetti allergici che possono causare
queste sostanze nei soggetti predisposti. Le radiazioni ionizzanti sono in grado di
produrre, direttamente o indirettamente, la ionizzazione degli atomi e delle molecole.
Questa proprietà ha importanti conseguenze in termini sanitari, in quanto i danni
indotti da queste radiazioni sulle macromolecole biologiche possono dare origine a
processi di cancerogenesi.
Tra le principali sorgenti naturali di esposizione vi sono la radiazione cosmica e la
radiazione terrestre (radionuclidi presenti nella crosta terrestre).
Tra le sorgenti naturali il radon (Rn) (11) rappresenta la principale fonte di
esposizione a radiazioni ionizzanti nell’uomo, soprattutto negli ambienti interni. Altri
inquinanti naturali di notevole importanza negli ambienti confinati (indoor) sono le
spore delle muffe e le polveri generiche.
La maggior parte dei composti gassosi dell’aria costituisce parte dei cicli naturali, per
questo gli ecosistemi sono in grado di mantenere l’equilibrio tra le varie parti del
sistema.
Comunque, l’introduzione di grandi quantità di composti addizionali può
compromettere anche definitivamente i naturali cicli biochimici preesistenti.
Dato che molto poco può essere fatto dall’uomo nei riguardi dell’inquinamento
naturale, la maggior preoccupazione deve essere quella di ridurre le emissioni
inquinanti prodotte dalle attività umane.
7
FIGURA 1:Intervalli di granulometria di aerosol atmosferici e le loro distribuzioni riflettono i diversi
processi di formazione. Nell’esempio rappresentato le curve indicano una distribuzione tipica di aerosol
prodotti durante un processo di combustione e la frazione in grado di raggiungere e depositarsi negli
alveoli dei polmoni umani. La curva “Number Weighitng” si riferisce alla distribuzione del numero di
particelle mentre la curva “Mass Weighting” indica la distribuzione della massa.
Fonte: IFEC CONSULENZE S.A. “Strategia di lotta allo smog invernale al sud delle Alpi”.
1.3 Processi di formazione del particolato
1.3.1 Processi fisici
Gli aerosol atmosferici, particelle liquide o solide più piccole 100 µm e di solito
maggiori d 1 µm in diametro, si formano dalla disintegrazione di particelle più
grandi.
Tipici processi per la produzione di aerosols (12) sono lo sviluppo di polvere durante
la macinazione del carbone, la formazione di spray in torri di raffreddamento e il
sollevamento di polvere da terreni asciutti.
Molti aerosols sono poi originati da sorgenti naturali quali: spray marini, polveri
trasportate dal vento e la polvere vulcanica.
Inoltre una estesa varietà di attività umane rompe del materiale e lo disperde
nell’atmosfera.
8
Tutti i veicoli da strada risollevano la polvere che si è depositata; cave e tritaturatrici
emettono pennacchi di polvere e di roccia; le coltivazioni dei terreni li hanno resi
maggiormente suscettibili all’erosione del vento.
Comunque, dal momento che rompere del materiale (13) in parti più piccole richiede
più energia di quella richiesta o rilasciata dalla sintesi chimica o adesione di
particelle più piccole, la maggior parte degli aerosols ha dimensioni piuttosto grandi.
Particelle più grandi hanno in genere effetti meno dannosi sulla salute di quelle più
piccole.
Le particelle più grandi, infatti, sono meno respirabili in quanto non penetrano a
fondo nei polmoni come quelle più piccole ed inoltre sono più facilmente rimovibili
dalle sorgenti inquinanti (14).
1.3.2 Processi chimici
La maggior parte dei processi chimici di produzione del particolato sono processi di
combustione (15): gli impianti energetici a combustibile fossile, gli inceneritori, gli
impianti domestici, i camini, le stufe, le fornaci, gli impianti di riscaldamento, gli
incendi e i vulcani attivi.
Le particelle derivanti da sorgenti di combustione si presentano in un taglio inferiore
a 1 µm.
Essendo molto piccole sono particolarmente importanti perché sono trasportate molto
velocemente fino agli alveoli polmonari e facilmente sono arricchite di costituenti
pericolosi, come metalli pesanti tossici e arsenico.
Quest’ultima caratteristica giustifica l’analisi del particolato come sorgente di altri
inquinanti (16).
Processi chimici di formazione di particelle inorganiche
La classe più significativa di particelle inorganiche (17) è costituita dagli ossidi
metallici.
Questi (18) si formano quando vengono bruciati combustibili contenenti metalli.
Ad esempio particelle di ossido di ferro si formano durante la combustione di
carbone contenente pirite:
3FeS
2
+ 8O
2
→ Fe
3
O
4
+ 6SO
2
9
Il vanadio in forma organica presente nei residui degli oli combustibili è convertito in
ossido di vanadio particellare.
Pertanto del carbonato di calcio presente nelle ceneri del carbone viene convertito in
ossido di calcio ed immesso nell’atmosfera attraverso la reazione:
CaCO
3
+ calore → CaO + CO
2
Un processo abbastanza comune per la formazione di miscele dia aerosol coinvolge
l’ossidazione dell’anidride solforosa ad acido solforico, una sostanza igroscopica che
accumula l’acqua atmosferica a formare minuscole goccioline liquide:
2SO
2
+ O
2
+ 2H
2
O → 2H
2
SO
4
In presenza di inquinanti atmosferici, tipo ammoniaca e ossido di calcio, l’acido
solforico reagisce a formare Sali:
H
2
SO
4(gocce)
+ 2NH
3(g)
→ (NH
4
)
2
SO
4(gocce)
H
2
SO
4(gocce)
+ CaC
(s)
→ CaSO
4(gocce)
+ H
2
O
In condizioni di bassa umidità questa gocce perdono acqua e formano un aerosol
solido.
Questi esempi costituiscono un importante processo generale per la formazione di
aerosol, in particolare di particelle più piccole.
Processi chimici di formazione di particelle organiche
Una porzione significativa di materiale particellare organico è prodotta da motori a
combustione interna (19) con processi che coinvolgono pirosintesi e composti
azotati.
Si ottengono come prodotti composti azotati e idrocarburi polimerici ossidati.
Anche gli oli lubrificanti e i loro additivi (20) possono contribuire alla frazione
organica del particolato.
Uno studio sul particolato emesso da motori diesel (con e senza marmitta catalitica)
ha presentato misure quantitative di più di cento composti.
Tra queste (21) le classi più rilevanti di composti trovati vi sono n-alcani, acidi
carbossilici, benzaldeide, acidi benzoici, azanaftalene. Idrocarburi policiclici
aromatici (IPA), IPA ossigenati, triterpeni pentaciclici e sterani ( le ultime due classi
di idrocarburi sono composti policiclici caratteristici dei gas esausti degli oli
lubrificanti).
10
Le particelle organiche di maggiore interesse sono gli idrocarburi policiclici
aromatici (IPA) che sono molecole costituite da anelli aromatici condensati.
L’esempio più spesso citato di composti IPA è il Benzo(a)pirene, (22) un composto
che il nostro organismo può metabolizzare in una forma cancerogena:
Figura 2: struttura molecolare del Benzo(a)pirene
Gli IPA possono essere sintetizzati da idrocarburi saturi in condizioni di carenza di
ossigeno.
Gli idrocarburi con massa molecolare molto bassa (23), compreso il metano, possono
agire come precursori degli IPA attraverso processi di pirosintesi,ovvero a
temperature intorno ai 500°C, temperatura alla quale i legami carbonio-carbonio e
carbonio-idrogeno si rompono a formare radicali.
Questi subiscono deidrogenazione e si combinano chimicamente a dare anelli
aromatici che sono resistenti alla degradazione termica.
Gli IPA possono formarsi anche da alcani superiori presenti nei combustibili da
processi di pirolisi (24): “cracking” di composti organici in molecole e radicali più
piccole e meno stabili.
11
1.4 Composizione chimica del particolato
In generale le proporzioni degli elementi nel particolato atmosferico riflettono la
composizione del materiale di origine, tenendo in considerazione le reazioni
chimiche che possono cambiare la composizione.
Ad esempio (25) il particolato originato da spray oceanico in una zona costiera
venendo a contatto con inquinamento da anidride solforosa mostra, in modo
anomalo, un alto contenuto in solfato e un corrispondente basso contenuto in cloruro;
il solfato deriva dalla ossidazione atmosferica dell’anidride solforosa, mentre il
cloruro originato dal NaCl marino può volatilizzarsi dal particolato sotto forma di
HCl volatile.
2SO
2
+ O
2
+ 2H
2
O → 2H
2
SO
4
H
2
SO
4
+ 2NaCl
(particolato)
→ Na
2
SO
4(particolato)
+ HCl
12
TOTALE DEGLI AEROSOL ATMOSFERICI EMESSI A LIVELLO MONDIALE 945 – 3390
TABELLA 2: Produzione in 10
6
t annuale di aerosol a livello mondiale
Fonte: IFEC CONSULENZE S.A. “Strategia di lotta allo smog invernale al sud delle Alpi”.
1.4.1 Composizione chimica inorganica delle particelle
Tra i costituenti inorganici del particolato campionato in atmosfere inquinate (26) vi
sono sali ossidi, composti azotati, composti dello zolfo, vari metalli e radionuclidi.
Gli elementi che di solito si presentano in quantità maggiori di 1µg/m
3
nel materiale
particellare sono: alluminio, calcio, carbonio, ferro, potassio, sodio e silicio; da
notare che la maggior parte di questi ha origine da sorgenti terrestri.
In minore quantità sono presenti: rame, piombo, titanio, zinco; e in quantità ancora
SORGENTE QUANTITA’ MT/a
SEA SPRAY 300 – 1300
VULCANISMO 100 – 500
COMBUSTIONE DI BIOMASSE (INCENDI FORESTE) 5 – 30
SORGENTI BIOGENICHE 5 – 150
P
A
R
I
C
E
L
L
E
P
R
I
M
A
R
I
E
TOTALE 440 – 2060
da: SO
2-
O
X.
→ SO
4
2-
→ Cluster 40 – 370
da: NO
X-
O
X.
→ NO
3--
→ Cluster 60 – 200
da: COV
-
O
X
→ Cluster 75 – 200
E
M
I
S
S
I
O
N
I
S
O
R
G
E
N
T
I
N
A
T
U
R
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L
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P
A
R
T
I
C
E
L
L
E
S
E
C
O
N
D
A
R
I
E
TOTALE
175 - 770
TOTALE DELLE EMISSIONI NATURALI 615 – 2830
PROCESSI INDUSTRIALI
CENTRALI (TERM0-) ELETTRICHE DI TELERISCALDAMENTO
ECONOMIE DOMESTICHE E PICCOLI CONSUMATORI
TRAFFICO STRADALE
GESTIONE E MOVIMENTAZIONE DI MATERIALE
130
COMBUSTIONE DI BIOMASSE 60 – 80
P
A
R
T
I
C
E
L
L
E
P
R
I
M
A
R
I
E
TOTALE 190 – 210
da: SO
2-
O
X.
→ SO
4
2-
→ Cluster 110 – 210
da: NO
X-
O
X.
→ NO
3--
→ Cluster 20 – 40
da: COV
-
O
X
→ Cluster 10 – 90
P
A
R
T
I
C
E
L
L
E
S
E
C
O
N
D
A
R
I
E
TOTALE
140 – 350
E
M
I
S
S
I
O
N
I
D
A
S
O
R
G
R
N
T
I
A
N
T
R
O
P
I
C
H
E
TOTALE EMISSIONI ANTROPICHE 330 – 560