Utilizzo operativo di modelli numerici per la valutazione dell'inquinamento atmosferico e l'elaborazione di un indice di qualità dell'aria

Utilizzo operativo di modelli numerici per la valutazione dell’inquinamento atmosferico  
e l’elaborazione di un indice di qualità dell’aria                                                                           Marco Cavagnero                           
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Tramite l’utilizzo del modello lagrangiano a particelle SPRAY ho simulato l’emissione degli 
inquinanti delle sorgenti puntiformi (prendendo in considerazione quelle più impattanti, che 
sono risultate essere 66), delle sorgenti areali e delle sorgenti lineari (statali e autostrada).  
Gli output del suddetto modello sono stati visualizzati ed elaborati tramite il programma di 
visualizzazione SAVI3D.   
 
Nel lavoro di tesi ci si è basati su dati relativi all’anno 2005, cioè riferiti agli studi attuati 
nell’ambito del “Progetto LIFE-L.IN.F.A.” (acronimo di “Life Interventions for Fraschetta 
Area). Il progetto ha come obiettivo l’approfondimento delle conoscenze circa l’impatto 
conseguente all’immissione di sostanze inquinanti nell’ambiente ed è finalizzato a sostenere 
misure innovative per il miglioramento della qualità dell’aria e la riduzione dell’impatto 
acustico nell’area della Fraschetta.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Utilizzo operativo di modelli numerici per la valutazione dell’inquinamento atmosferico  
e l’elaborazione di un indice di qualità dell’aria                                                                           Marco Cavagnero                           
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1. LA DISPERSIONE DEGLI INQUINANTI IN 
ATMOSFERA 
 
La conoscenza della struttura dell’atmosfera e dei suoi meccanismi di evoluzione riveste 
oggi fondamentale importanza non solo dal punto di vista puramente scientifico, ma anche, e 
soprattutto, sotto l’aspetto delle problematiche ambientali. Il crescente interesse verso l’aria 
che respiriamo, accompagnato dallo sviluppo di nuove tecnologie e dalle potenzialità dei 
moderni calcolatori, ha contribuito in modo determinante agli importanti progressi in questo 
campo. 
Da parecchi anni il problema dell’inquinamento atmosferico assume infatti una grande 
importanza per la qualità della vita in ambiente urbano. Specie nell’ultimo decennio, si è 
potuto assistere al crescere della sensibilità verso il problema, sia nell’opinione pubblica sia 
nel mondo della ricerca scientifica; parallelamente, il problema si è aggravato per l’aumentare 
delle fonti di inquinamento (traffico veicolare, emissioni gassose). 
 
 
1.1  L’ATMOSFERA TERRESTRE 
 
L’atmosfera terrestre è quel sottile involucro gassoso che avvolge la Terra ed è di 
importanza fondamentale per la sopravvivenza del geosistema.  
La sua composizione è in rapporto diretto con l’attività delle altre sfere geochimiche: per 
esempio, le eruzioni vulcaniche possono immettere nell’atmosfera quantità così grandi di 
vapore acqueo e di anidride carbonica da determinare cambiamenti climatici su scala 
planetaria; il riscaldamento di oceani e mari provoca la continua evaporazione dell’acqua che, 
dopo essere entrata nell’atmosfera, si riconverte in gocce di acqua liquida e forma le nuvole.  
L’atmosfera svolge anche un’incessante azione meccanica e chimica sulle rocce della 
litosfera, provocando il modellamento della superficie terrestre; inoltre, gli spostamenti delle 
masse d’aria che costituiscono l’atmosfera sollecitano la superficie marina, determinando 
onde e correnti che distribuiscono su tutto il pianeta il calore ricevuto dal Sole. 
L’atmosfera possiede però un delicato equilibrio che oggi le attività umane stanno 
mettendo in pericolo; l’aria dovrebbe invece essere trattata come un prezioso patrimonio. 
 
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e l’elaborazione di un indice di qualità dell’aria                                                                           Marco Cavagnero                           
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1.2  COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA TERRESTRE 
 
L’atmosfera è fatta d’aria: un miscuglio di sostanze tipico del nostro pianeta e formato da 
azoto (78% in volume), ossigeno (20%), argon (circa 1%), anidride carbonica (0,04%) e una 
miriade di altre sostanze in quantità molto variabili. Fra queste, il vapor d’acqua, presente in 
percentuali notevoli ma molto variabili, è un fattore meteorologico essenziale: influenza in 
modo determinante il clima e il bilancio energetico del pianeta e contribuisce all’effetto serra 
naturale. Ma proprio perché la sua concentrazione può variare tanto, esso è escluso dal calcolo 
delle percentuali sopra riportate, che si riferiscono all’aria secca. 
 
L’aria viene definita contaminata quando contiene composti di origine naturale e/o 
antropica che, per le loro caratteristiche o per la quantità in cui sono presenti, possono essere 
in grado di produrre danni agli esseri viventi, alla vegetazione, ai manufatti esposti alla sua 
azione o ad interi ecosistemi. La condizione di inquinamento implica quindi una variazione 
significativa nelle concentrazioni dei componenti minori in atmosfera.  
Agli inquinanti di origine naturale si aggiungono sostanze derivanti da attività umane che, 
essendo concentrate in piccole aree, urbane ed industriali, possono dar luogo a preoccupanti 
peggioramenti della qualità dell’aria, aggravati dal verificarsi di condizioni meteorologiche 
che possono favorire l’accumulo di inquinanti. 
 
 
1.3  L’INQUINAMENTO ATMOSFERICO DI ORIGINE ANTROPICA 
 
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 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, 
liberata specialmente da combustibili fossili. 
 
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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 un vasto numero di autoveicoli che 
utilizzano benzine ad alto tenore di zolfo (soprattutto in 
Asia). Nelle città dove viene ancora utilizzata la 
benzina contenente piombo (ormai quasi 
completamente bandita), il traffico può contribuire per 
l’80-90% alla concentrazione atmosferica di questo 
pericoloso metallo. 
Figura n. 1: Immagine di una città  immersa  
nello smog durante una fase di inversione termica 
 
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 
industriali. Questi composti vengono liberati in quantità notevolmente inferiori rispetto a 
quelle dovute a traffico veicolare e per questo risultano poco rilevanti a livello globale, ma 
particolarmente importanti a livello locale perché spesso dotati di elevata tossicità.  
 
L’effetto dell’inquinamento a bassi livelli e per lungo tempo risulta più subdolo e difficile 
da individuare. Si presume che provochi a breve termine disagio, irritazione, tossicità 
specifica, affezioni respiratorie acute e, in rari casi, mortalità, soprattutto fra gli anziani affetti 
da patologie croniche cardiovascolari o respiratorie. Gli effetti a lungo termine causati da una 
esposizione ad inquinanti presenti a concentrazioni relativamente basse non sono ancora 
completamente chiari; in ogni caso si ritiene che fra i vari effetti vi sia la comparsa di malattie 
polmonari croniche aspecifiche (come la bronchite cronica, l’asma e l’enfisema), la 
formazione di varie neoplasie maligne (cancro polmonare, leucemie) ed un aumento della 
mortalità per malattie cardiovascolari e respiratorie. 
 
 
 
 
 
 
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1.3.1 Descrizione dei principali inquinanti 
 

 Ossidi di zolfo (SO2 e SO3): derivano dai processi di combustione dei carburanti 
contenenti zolfo. Gli ossidi di azoto, combinandosi con il vapore acqueo, originano gli 
acidi solforoso H2SO3 e solforico H2SO4, principali responsabili delle piogge acide.   
A causa dell’elevata solubilità in acqua l’SO2 viene assorbita facilmente dalle 
mucose del naso e del tratto superiore dell’apparato respiratorio; inoltre reagisce 
facilmente con tutte le classi di biomolecole;   
 

 Benzene (C6H6): idrocarburo volatile aromatico di odore caratteristico che viene 
immesso nell’aria principalmente per effetto delle emissioni degli autoveicoli e per le 
perdite durante le fasi di rifornimento.  
Gli effetti a breve termine interessano il sistema nervoso mentre quelli a lungo 
termine producono una riduzione progressiva delle piastrine nel sangue. Per la sua 
tossicità il benzene è stato inserito dalla IARC (International Agency for Research on 
Cancer) nel gruppo I, insieme alle sostanze con accertato potere cancerogeno; 
 

 Ossidi di azoto (NOX): si intende generalmente l’insieme di ossido di azoto NO e 
biossido di azoto NO2. Le più grandi quantità di ossidi di azoto vengono emesse da 
processi di combustione civili e industriali e dai trasporti veicolari (l’ossido di azoto 
rappresenta il 95% del totale); il biossido di azoto è invece un inquinante secondario in 
quanto deriva dall’ossidazione dell’ossido in atmosfera.  
Hanno effetti di tossicità acuta sia sulle mucose sia sugli occhi e possono 
provocare danni polmonari; 
 

  Idrocarburi: sono composti organici a base di carbonio ed idrogeno di natura alifatica 
o aromatica. Tra questi rivestono importanza i COV (Composti Organici Volatili) cioè 
un insieme di composti di natura organica caratterizzati da basse pressioni di vapore a 
temperatura ambiente (quindi elevata evaporazione), che si trovano in atmosfera 
principalmente in fase gassosa.