INQUINAMENTO ATMOSFERICO 1 COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA L’atmosfera è composta sostanzialmente da idrogeno, ossigeno e gas nobili. I gas sono prodotti da attività biologiche, dalle esalazioni vulcaniche, dalle attività antropiche e dai processi chimici che si innescano in atmosfera. La composizione in volume risulta: Azoto (N2) ~78% Ossigeno (O2) ~21% Ar, CO2, Ne (…) ~1% 2 1 STRUTTURA DELL’ATMOSFERA L' atmosfera è formata da diversi strati, che presentano caratteristiche fisiche e chimico-fisiche variabili con la quota: temperatura, pressione, densità. A causa della forza di gravità l’atmosfera è stratificata, con gli strati più densi in prossimità della superficie. L’andamento che indica le variazioni di temperatura ∆t in rapporto alla differenza di quota ∆z è detto gradiente termico verticale; se la temperatura cresce con la quota il gradiente è positivo, se decresce è negativo. 3 STRUTTURA TERMICA VERTICALE DELL’ATMOSFERA 4 2 COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA • TROPOSFERA (0-14 Km): è la parte più densa dell' atmosfera, sede della maggior parte dei fenomeni meteorologici; la temperatura decresce con la quota • STRATOSFERA (14-60 km): contiene lo strato di ozono; la temperatura cresce con la quota • MESOSFERA (60-90 km): il gas diventa molto più rarefatto; la temperatura decresce con la quota • TERMOSFERA (90-600 km): la temperatura inizia a salire e lo strato deve il suo nome alle alte temperature raggiunte (circa 1200° C) • ESOSFERA (oltre 600 km): è la parte meno conosciuta della nostra atmosfera, dove essa decresce in densità fino a perdersi nello spazio 5 Def. inquinamento atmosferico (DPR. 203/88) "È tale ogni modificazione della ' normale'composizione o stato fisico dell' aria atmosferica dovuta alla presenza nella stessa di una o più sostanze in quantità e caratteristiche tali da alterare le ' normali' condizioni ambientali e di salubrità dell' aria, da costituire pericolo ovvero pregiudizio ' diretto‘ ed ' indiretto' per la salute dell' uomo, da compromettere le attività ricreative e gli usi legittimi dell' ambiente, alterare le risorse biologiche e gli ecosistemi ed i beni materiali pubblici e privati." 6 3 GLI INQUINANTI Col termine inquinante si intende qualunque sostanza immessa in atmosfera da processi naturali o antropogenici la cui presenza nell' atmosfera stessa è in grado di provocare effetti nocivi sulla salute umana, sulla vita animale e vegetale e sui materiali. Gas Principali fonti antropogeniche CO Uso di combustibili fossili, combustione di biomasse CO2 Uso di combustibili fossili, deforestazione CH4 Risaie, allevamenti, discariche, produzione di combustibili fossili NOx Uso di combustibili fossili, combustione di biomasse N 2O Fertilizzanti azotati, deforestazione, combustione di biomasse SO2 Uso di combustibili fossili, fonderie CFC Bombolette spray, refrigeranti, materiali espansi 7 L’inquinamento urbano è originato essenzialmente dalla combustione di idrocarburi per riscaldamento e traffico veicolare e dalle attività industriali: Le emissioni dagli scarichi delle auto contribuiscono al 90% del CO, all' 87% dei COV, al 76% della CO2, al 52% degli NOx e al 50% delle polveri. Influenza del traffico sull’inquinamento nazionale Le sorgenti stazionarie (riscaldamento domestico, industrie) sono invece responsabili del 45% delle emissioni di NOx e del 78% di quelle di SO2. 8 4 MONOSSIDO DI CARBONIO (CO) La formazione di ossidi di carbonio può avvenire a causa di: Combustione incompleta di carbonio e suoi composti; Reazioni ad elevata temperatura tra CO2 e composti contenenti carbonio; Dissociazione ad elevate temperature di CO2 in CO e O. Sorgenti 1. mezzi di trasporto soprattutto quelli a benzina; 2. processi di produzione della ghisa e dell’acciaio; 3. raffinerie di petrolio; 4. alcuni processi naturali (attività vulcaniche, emissari naturali di gas, scariche elettriche durante i temporali). 9 Settore emissivo CO (in Italia) Trasporto su strada 63% Trattamento dei rifiuti 17% Altre forme di trasporto 7% Processi di combustione 5% Combustione industria manifatturiera 4% Impianti di combustione non industriale 3% Altri processi 1% Effetti Sulle piante: diminuisce la capacità dei batteri di fissare l’N2 nelle radici delle piante; sugli uomini: effetto tossico perché riduce la capacità del sangue di trasportare ossigeno (si forma Carbossiemoglobina). 10 5 OSSIDI DI AZOTO (NOx) Gli ossidi di N più pericolosi sono NO e NO2, essi si formano in seguito alla reazione tra N2 e O2 presenti nell’aria ad elevate temperature. Sorgenti 1. azione batterica (di un ordine superiore a quello di origine antropica), tuttavia è presente in alte concentrazioni ma in aree limitate; 2. mezzi di trasporto, soprattutto motori diesel; 3. impianti fissi (ex. termoelettrici). 11 Settore emissivo Trasporto su strada NO2 (in Italia) 49% Combustione per la produzione di energia 21% Altre forme di trasporto 14% Processi di combustione 11% Combustione industria manifatturiera 3% Impianti di combustione non industriale 3% Trattamento dei rifiuti 1% Altri processi 1% Effetti Sulle piante: L’inquinamento da biossido di azoto ha un impatto sulla vegetazione di minore entità rispetto al biossido di zolfo. Possono comparire delle macchie sulle foglie. sugli uomini: l’NO2 è 4 volte più tossico dell’NO. In piccole dosi possono portare all’irritazione delle mucose di occhi e naso; sui materiali: gli NOx in atmosfera acidificano e possono causare sbiadimento dei tessuti e corrosione di leghe al Ni e Ottone. 12 6 OSSIDI DI ZOLFO (SOx) Dalla combustione dei diversi materiali contenenti S vengono prodotti particolari ossidi di questo elemento: anidride solforosa, biossido di zolfo e anidride solforica. Sorgenti 1. da fonti naturali quali i vulcani (per circa i 2/3 ); 2. impianti fissi di combustione a carbone o olio; 3. centrali elettriche; 4. fonderie; 5. raffinerie di petrolio, … 13 Settore emissivo SO2 (in Italia) Natura 61% Combustione per produzione di energia 20% Combustione industria manifatturiera 11% Processi di produzione 3% Trasporto su strada 2% Impianti di combustione non industriale 2% Altre forme di trasporto 1% Effetti Sulle piante:per esposizioni breve ma intense si hanno fenomeni di necrosi, per esposizioni prolungate, ma meno intense, si hanno danni cronici che portano al blocco di formazione di clorofilla; sugli uomini: provoca irritazione delle vie respiratorie, degli occhi ed influiscono anche sul sistema nervoso; sui materiali: viene accelerata la velocità di corrosione dei metalli e dei materiali da costruzione (trasformazione dei carbonati in 14 solfati a causa dell’acido solforico H2SO4). 7 Effetti dell’SO2 sulla vegetazione.. 15 PARTICOLATO (PM2.5 e PM10) Col termine “aerosol atmosferici” si intende l’insieme di particelle le cui dimensioni variano da pochi ångström a qualche centinaia di micron µm. PM2.5 = particolato fine, frazione respirabile (Ø < 2.5 µm); PM10 = frazione toracica (Ø < 10 µm). Sorgenti 1. eruzioni vulcaniche, trasporto del vento (in minima parte); 2. industria delle costruzioni; 3. fonderie; 4. traffico veicolare (combustione incompleta e lenta polverizzazione dei pneumatici e dell’asfalto). 16 8 Settore emissivo Processi meccanici (erosione del vento e polverizzazione da parte di auto e pedoni) Diametro >10 µm Particolari tipi di terreno, polveri e prodotti di combustione di determinate industrie 1 µm ÷ 10 µm Combustione ed aerosol fotochimici 0.1 µm ÷ 1 µm Processi di combustione non sempre identificabili chimicamente < 0.1 µm Effetti Sull’ambiente:diminuzione della visibilità atmosferica e della luminosità assorbendo o riflettendo la luce solare. Le polveri sospese favoriscono la formazione di nebbie e nuvole, favorendo il verificarsi dei fenomeni delle nebbie e delle piogge acide; sugli uomini: Le particelle più pericolose sono quelle con Ø<15µm che penetrano nel sistema respiratorio a varie profondità e possono generare vari effetti irritativi come l’infiammazione e la secchezza del naso e della gola. Queste polveri aggravano le malattie respiratorie croniche come l’asma, la 17 bronchite e l’enfisema. OZONO TROPOSFERICO (O3) e VOC A causa delle reazioni fotochimiche che si instaurano in un ambiente atmosferico già inquinato, si ha la formazione di O3 e di inquinanti secondari, causa dello smog fotochimico. I VOC (Composti Organici Volatili) rappresentano l’insieme degli organici allo stato gassoso. Sorgenti 1. processi naturali (decomposizione della materia organica, fotolisi delle piante, attività geotermica, …); 2. emissioni della benzina; 3. emissioni di carburante incombusto nei gas di scarico; 4. processi industriali in tutte le fasi in cui utilizzano vernici e solventi. 18 9 Settore emissivo NMVOC (in Italia) Trasporto su strada 39% Uso di solventi 20% Agricoltura e foreste 20% Altre forme di trasporto 8% Estrazione e distribuzione combustibili fossili 5% Trattamento dei rifiuti 4% Processi di produzione 4% Impianti di combustione non industriale 1% Effetti Sulle piante: necrosi di gruppi di cellule, l’etilene (C2H4) inibisce lo sviluppo e causa la morte dei fiori; sugli uomini: a seconda del tipo di inquinante si possono verificare disturbi all’apparato respiratorio, nervoso, genera cancro ai polmoni; sui materiali: la gomma è il materiale più soggetto all’effetto dell’O3, perde elasticità e diventa più fragile. 19 L’ O3 causa clorosi, con colorazione giallo pallido delle foglie e provoca un prematuro invecchiamento della pianta. Inoltre fra le nervature dell’apparato fogliare compaiono delle lesioni color marrone. Come le lesioni si allargano, la foglia prima diviene color bronzo, poi cade. Foglia di tabacco esposta a concentrazioni di ozono di 0,14 mg/m3 per 7 ore al giorno per 2 settimane. 20 10 MODELLIZZAZIONE Attraverso dei modelli matematici si cerca di rappresentare la realtà fisica del trasporto degli inquinanti in atmosfera; la modellizzazione avviene tenendo conto di diverse caratteristiche del sistema fisico che si vuole rappresentare: scala spaziale; scala temporale; dominio; inquinante; meteorologia; regime; sorgenti emissive. 21 Scala spaziale A seconda della tipologia di fenomeno che si intende studiare si distingue in: microscala (100 m÷1 km), scala locale (10÷100 km), mesoscala (100÷1000 km), scala regionale (1000÷5000 km) e scala globale (tutta la superficie terrestre). Scala temporale Nel caso di episodi critici si possono usare applicazioni di breve periodo (ore-giorni), oppure di lungo periodo (mesi-anni) per la valutazione di degli effetti di esposizione prolungata. Dominio L’orografia del terreno ha una forte influenza sul modello, si possono avere terreni piani, con più rilievi, valli isolate, … Inoltre il dominio può essere di tipo urbano, rurale o particolare (ex. siti costieri). (Turbolenza di tipo meccanico) 22 11 Inquinante Può essere costituito da gas, aerosol o particolato. Inoltre può essere inerte o reattivo ed essere soggetto a deposizione umida o secca. Meteorologia I fenomeni che influenzano la dispersione degli inquinanti sono essenzialmente il trasporto ad opera del campo di vento e la diffusione turbolenta. In particolare è necessario conoscere la struttura del campo di vento (omogeneità e stazionarietà), i gradienti di temperatura, direzione e velocità del vento, … Nonché la presenza di particolari condizioni di circolazione (ex. strati di inversione termica, isole di calore) Regime A seconda della costanza temporale o meno del fenomeno si possono avere condizioni stazionarie o evolutive. 23 Sorgenti emissive • puntuali singole o multiple: utilizzate per rappresentare le emissioni dei camini di impianti industriali, di cui è necessario conoscere posizione, altezza, diametro, temperatura e velocità di uscita dei fumi; • lineari: schematizzano le emissioni da traffico sui tratti stradali, i fattori influenzanti sono la struttura della rete viaria, la dimensione e la composizione del parco circolante, velocità medie e regimi di marcia; • areali e volumetriche: rappresentano emissioni di sorgenti distribuite in modo abbastanza continuo sul territorio (Ex.: area industriale, riscaldamenti domestici, zone agricole, …) 24 12 Effetti della struttura termica dell’atmosfera sulla dispersione verticale di una sorgente puntiforme in quota. 25 INVERSIONE TERMICA Inversione al suolo: la temperatura aumenta con la quota; tale situazione è generata dal raffreddamento notturno della terra che cede calore all’atmosfera per irraggiamento. L’altezza di questo strato è di circa 100-200 metri. Gli inquinanti emessi al di sopra dello strato di inversione, si diffondono in quota (figura d pag precedente). 26 13 INVERSIONE TERMICA Inversione in quota: in particolari situazioni (es: nebbia) si possono avere anche inversioni in quota; in questo caso si crea una barriera per la diffusione verso l’alto degli inquinanti emessi al di sotto di questo strato, con conseguente aumento delle concentrazioni al suolo (fig f). 27 Meteorologia urbana Isola di calore Al di sopra delle città ristagna una cappa d' aria surriscaldata, di circa 200-300 m di spessore, un’ “isola di calore” rispetto al circostante ambiente rurale. L' isola di calore trae origine dalle caratteristiche del tessuto urbano, costituito da asfalto, calcestruzzo, mattoni e cemento, cioè da materiali che, rispetto alla copertura vegetale, assorbono in media il 10% in più di energia solare. Il surplus di calore solare immagazzinato dai manufatti viene poi riemesso per irraggiamento (cioè sotto forma di energia nell' infrarosso), con conseguente surriscaldamento dell' aria. 28 14 °C = (° F − 32) 1.8 85° F ≅ 29°C 29 I canyon urbani All’isola di calore dà un notevole contributo il tipico assetto geometrico delle città, con strade strette rispetto alle dimensioni verticali degli edifici. Quindi catturano una maggiore quantità di radiazione solare, intrappolata dalla numerose riflessioni multiple. L' intrappolamento della radiazione solare e infrarossa è tanto maggiore quanto più gli edifici sono alti rispetto alla larghezza della via. A causa di tale fenomeno l' isola di calore si conserva anche nelle ore notturne. Infatti di notte il raffreddamento dell' aria che ristagna entro i canyon è molto lento perché l' energia infrarossa irraggiata dalle superfici che delimitano il corridoio stradale, anziché disperdersi nello spazio, viene catturata e più volte riflessa da parte degli edifici che si fronteggiano ai lati delle strade. 30 15 31 MODELLI I modelli matematici per la valutazione dell’inquinamento atmosferico sono essenzialmente di due tipologie: Modelli deterministici Si propongono di ricostruire in maniera quantitativa i fenomeni che determinano l’evoluzione spazio-temporale della concentrazione degli inquinanti in atmosfera; Modelli stocastici A differenza di quelli deterministici, non si basano su relazioni fisiche di causa-effetto, ma attraverso l’elaborazione dei dati misurati in passato permettono di fare una previsione del valore futuro della concentrazione dell’inquinante. 32 16 MODELLI DETERMINISTICI EULERIANI Analitici A box LAGRANGIANI A griglia A traiettoria A particelle 33 34 17 MODELLI EULERIANI Questi modelli fanno riferimento ad un sistema di coordinate fisso e si basano sull’integrazione dell’equazione differenziale di diffusione ricavato dal bilancio di massa applicato ad un volumetto d’aria infinitesimo sotto determinate ipotesi. Modelli analitici (Gaussiani e a Puff) Sono in grado di descrivere l’andamento al suolo della concentrazione sottovento ad una sorgente continua puntiforme. Le ipotesi su cui si basano sono: stazionarietà ed omogeneità delle condizioni meteorologiche, velocità del vento non nulla, assenza di trasformazioni chimiche e fenomeni di rimozione, terreno piatto. Nei modelli gaussiani si suppone che il pennacchio venga trasportato secondo la direzione del vento e diffuso nelle direzioni trasversali. I modelli a Puff rappresentano un’estensione dei modelli gaussiani e permettono di ricostruire la dispersione degli inquinanti (nuvole di dimensioni finite) in condizioni non stazionarie e non omogenee. 35 Modelli a Box In questi modelli il dominio d’indagine è suddiviso in una o più celle in cui gli inquinanti si considerano perfettamente miscelati, si assumono quindi dei coefficienti di diffusione infiniti per rappresentare una propagazione istantanea all’interno del box. L’inquinante presente nel box proviene da sorgenti interne o da contributi esterni trasportati dal vento. Questi modelli molto semplici sono adatti per descrivere l’evoluzione di un insieme di sorgenti complesse in domini omogenei. Modelli a griglia Il dominio di calcolo è suddiviso in un grigliato tridimensionale, le cui dimensioni vanno definite in base a limiti pratici (tempi di calcolo e acquisizione dati) e teorici. I modelli a griglia si basano sulla soluzione dell’equazione di diffusione con tecniche di calcolo alle differenze finite. 36 18 MODELLI LAGRANGIANI Rispetto ai modelli euleriani il sistema di riferimento è mobile, segue cioè gli spostamenti delle masse d’aria di cui si vuole riprodurre il comportamento. Modelli a box lagrangiani Rispetto ai modelli euleriani, in cui il dominio è considerato completamente miscelato e non hanno quindi una risoluzione spaziale lungo l’orizzontale, i modelli a box lagrangiani definiscono un box di dimensioni orizzontali molto piccole che si muove lungo la direzione del vento. In questo modo si può simulare il movimento di una colonna d’aria all’interno del dominio la cui concentrazione di specie inquinanti è dovuta alle emissioni incontrate lungo il percorso, a processi di chimica ed eventuale deposizione. L’ipotesi semplificatrice più significativa che viene assunta è che la dispersione orizzontale sia nulla, ovvero che non vi sia scambio con l’aria circostante. 37 Modelli a particelle Questi modelli sono particolarmente adatti alla simulazione del moto in un fluido turbolento; la dispersione degli inquinanti viene ricostruita schematizzando l’emissione attraverso un insieme di unità di dimensioni infinitesime di massa nota, il dominio è tridimensionale. Il moto delle particelle è definito attraverso due componenti: il trasporto dovuto al campo di vento e la turbolenza dovuta alle fluttuazioni dello stesso intorno al valore medio. Modelli a traiettorie Si tratta di modelli utilizzati per lo studio di fenomeni a scala regionale e globale. Il modello ipotizza che le particelle elementari di inquinante siano costituite da colonne verticali unidimensionali, con altezza pari a quella dello strato di rimescolamento, il dominio è tridimensionale. Questi modelli non necessitano di condizioni al contorno, ma sono fortemente influenzati dalle condizioni iniziali, è necessario quindi far partire le traiettorie da aree sostanzialmente pulite. Una particolarità di questi modelli è che possono essere utilizzati anche in versione backtrajectory, cioè integrando indietro nel tempo. 38 19 MODELLI STOCASTICI La classe dei modelli stocastici comprende una grande varietà di modelli, utili per il controllo in tempo reale e per la previsione dei livelli di attenzione e di allarme. Nella forma più semplice i modelli stocastici sono costituiti da espressioni lineari che comprendono due termini: 1. 2. parte autoregressiva: termine che quantifica la relazione fra i valori passati e quello previsto dalla variabile; parte stocastica. Modelli a scatola grigia In questi modelli al previsione non è basata solo su misure di concentrazione, ma anche su altre variabili, meteorologiche e/o di emissione, che influenzano le concentrazioni di inquinante nell’aria (ex. Temperatura, velocità del vento, tipo di circolazione, …) 39 RIFERIMENTI NORMATIVI La normativa individua, nel corso degli anni, una serie di composti inquinanti e su questi stabilisce degli standard di qualità (valori limite, valori guida, stato di attenzione, stato d’allarme, obiettivi di qualità, …). Le leggi principali sono: D.M. 12 luglio 1990 Linee guida per il contenimento delle emissioni inquinanti degli impianti industriali e la fissazione dei valori minimi di emissione. D.P.R. 24 maggio 1988, n. 203 Attuazione delle direttive CEE numeri 80/779, 82/884, 84/360 e 85/203 concernenti norme in materia di qualità dell' aria, relativamente a specifici agenti inquinanti, e di inquinamento prodotto dagli impianti industriali, ai sensi dell' articolo 15 della legge 16 aprile 1987, n. 183. Incenerimento rifiuti D.M. 19 novembre 1997, n. 503 - G.U. 29 gennaio 1998, n. 23 D. M. 25 febbraio 2000, n. 124 - G.U. 18 maggio 2000, n. 114 40 20 NORMATIVA Legge 203/88 Sottopone a regolamentazione: Impianti con emissione in atmosfera; caratteristiche merceologiche dei combustibili; valori limite per inquinanti nell’ambiente esterno; limiti delle emissioni inquinanti. Autorizzazione Costruzione nuovo impianto; modifica impianto esistente; trasferimento dell’impianto. 41 Domanda in Regione Entro 45 gg Entro 60 gg Copia al Ministero dell’Amb. e Sindaco (parere) Provvedimento della giunta regionale Valori limite di emissione – metodi di campionamento e analisi Prescrizioni e condizioni di esercizio impianti abbattimento OK Periodicità e tipo di controlli Termini di messa a regime degli impianti Impresa comunica data di messa in esercizio dell’impianto (Sindaco e ARPA) Entro 15 gg Risultati delle prove di verifica e collaudo 42 21 Esclusioni Impianti tecnici non inseriti nel ciclo produttivo; Impianti di emergenza e sicurezza; Laboratori di analisi e ricerca, impianti piloti, di prova e sperimentazione, etc. 43 Procedure semplificate - DPR 25/07/1991 Attività inquinamento atmosferico poco significativo (All. 1) • Non è necessaria l’autorizzazione • Le attività si autocertificano al Comune • Si può incappare in problemi di molestie olfattive (rosticcerie, friggitorie) Attività a ridotto inquinamento atmosferico (All. 2) • è necessaria l’autorizzazione • Iter semplificato perché sono state codificate le migliori tecnologie disponibili • Competenza della Provincia 44 22 Autorizzazione impianti per produzione di energia Per costruzione ed esercizio centrali termoelettriche e raffinerie di minerali M.I.C.A. Centrali con P < 300 MW termici produzione con energie rinnovabili Provincia 45 Autorizzazione impianti trattamento rifiuti RU, RS non pericolosi, R sanitari DM 503 del 19/11/1997 – Definizione: valori limite di emissione, metodi di campionamento, analisi e valutazione degli inquinanti, criteri e norme tecniche. Autorizzazione della Provincia Rifiuti pericolosi (RP) DM 124 del 25/02/2000 – Definizione: valori limite di emissione, norme caratteristiche e condizioni di esercizio. tecniche sulle Autorizzazione della Regione 46 23 Caratteristiche merceologiche dei combustibili e loro impiego Uso dei combustibili regolato dal DPCM dell’8 marzo 2002 (sostituisce e abroga DPCM del 2 ottobre 1995). • Uso industriale • Uso civile Per definire la poca significatività delle emissioni e per definirne i valori limite è necessario valutare la potenza termica nominale come somma delle potenze termiche nominali dei singoli focolari. NB. Il decreto non si applica all’uso di olio combustibile 0.3% di zolfo e suoi derivati 47 Normativa Regionale – Lombardia (1) DGR n. 7/13858 del 29 luglio 2003 Riprende il DPCM 8/03/2002 per limitare l’uso dei combustibili pesanti anche negli impianti civili. È proibito, nelle zone e comuni critici, l’uso dei seguenti combustibili negli impianti termici civili: • Agglomerati di lignite; • Carbone da vapore; • Coke metallurgico e da gas; • antracite, prodotti antracinosi e loro miscele; • olio combustibile ed altri distillati pesanti di petrolio; • emulsioni di acqua-olio combustibile o acqua-altri distillati pesanti del petrolio 48 24 Normativa Regionale – Lombardia (2) DGR n. 7/13858 del 29 luglio 2003 È permesso, agli impianti con potenzialità termica superiore ai 10 MW, l’utilizzo di: • olio combustibile ed altri distillati pesanti di petrolio; • emulsioni di acqua-olio combustibile o acqua-altri distillati pesanti del petrolio Inoltre dovranno essere fatti due controlli alle emissioni e, dal 01/10/2006 gli impianti dovranno dotarsi di un sistema di controllo delle emissioni in continuo. 49 Valori limite per gli inquinanti nell’aria Nel DPR 203/88 vengono fissati i valori limite e guida per: • biossido di zolfo (SO2) • particelle sospese • biossido di azoto (NO2). Nel D.Lgs. 351 del 4 agosto 1999 viene proposto un elenco aggiornato in cui si distinguono due elenchi di inquinanti: Inquinanti da esaminare allo stadio iniziale (biossido di zolfo e azoto, ossidi di azoto, materiale particolato, particelle sospese totali, piombo e ozono) Altri inquinanti (benzene, monossido di carbonio, idrocarburi policiclici aromatici, cadmio, arsenico, nichel, mercurio) 50 25 Il D.Lgs. 351 del 4 agosto 1999 prevede: definizione di valori limite e di soglia valutazione regionale) dell’aria nell’ambiente (piano d’azione misure da applicare dove si sorpassano i valori limite misure da applicare dove si sorpassano i valori d’allarme 51 DM n. 60 del 2 aprile 2002 introduzione di nuovi valori limite (biossido di zolfo, biossido di azoto, ossidi di azoto, particelle, piombo, benzene, monossido di carbonio); introduzione di un margine di tolleranza, che si riduce progressivamente (periodo di transizione – “limiti mobili”) criteri per ubicazione delle stazioni di campionamento metodologie per le misure, i campionamenti e le analisi. Il sistema di monitoraggio della Lombardia è in fase di revisione, a Varese si è passati da 15 a 8 stazioni di misurazione. 52 26 Piano regionale per il risanamento e la tutela della qualità dell’aria Strumento di programmazione e coordinamento degli interventi e di controllo delle emissione in atmosfera derivanti da attività antropiche, avente lo scopo di salvaguardare la salute dell’uomo e dell’ambiente OBIETTIVI 1. Risanamento delle aree con superamento o rischio superamento 2. Azione di prevenzione e miglioramento. 53 Mezzi: 1. Piani di rilevamento degli inquinanti raccolta dati su territorio e fonti di emissione (qualitativa e quantitativa – diretta o stimata) 2. Individuare aree del territorio e settori produttivi oggetto del piano 3. Interventi di risanamento 4. Strumenti di controllo 5. Tempi di attuazione 54 27 DGR n. 7/13856 del 29 luglio 2003 Zone e comuni critici Zona critica unica Milano/Como/Sempione Capoluoghi di Provincia Provvedimenti sulla circolazione automobilistica Blocco del traffico per motoveicoli non catalizzati Blocco totale le domeniche Contenimento dell’ozono Nel caso di superamento la Provincia invita la popolazione a limitare le uscite Contenimento degli ossidi di azoto 55 EFFETTI DELL’INQUINAMENTO ATMOSFERICO L' atmosfera ha molte funzioni: fornisce ossigeno agli animali, anidride carbonica alle piante (per la fotosintesi clorofilliana) ma, soprattutto, permette alla Terra di trattenere parte del calore solare e ci protegge dalle radiazioni ultraviolette del Sole. La composizione dell' aria è rimasta immutata per milioni di anni ma, con lo sviluppo industriale e l' urbanizzazione, è cominciato il suo progressivo inquinamento. I problemi ambientali legati all' inquinamento dell' aria sono tanti, tra i più gravi ci sono: piogge acide; smog fotochimico; effetto serra; buco dell’ozono. 56 28 PIOGGE ACIDE Nell’atmosfera l’acqua è presente sotto forma di vapore che, condensando, determina la formazione delle gocce. Queste, essendo costituite da sola acqua, hanno un pH pari circa a 7.0; per la dissoluzione dell’anidride carbonica (CO2), presente naturalmente nell’atmosfera, si produce l’acido carbonico (H2CO3) che causa un abbassamento del pH delle gocce a valori intorno a 5.5, valori considerati naturali. In presenza di anidride solforica e di biossido di azoto l’acqua reagisce formando rispettivamente acido solforico (SO3 + H2O -> H2SO4) e nitrico (NO2 + H2O -> HNO3) che, essendo acidi forti, determinano un ulteriore abbassamento del pH a valori estremamente bassi (Nel 1979 la neve caduta a Virginia, negli USA, aveva un pH pari a 1.7). 57 Valori medi annuali delle quantità di precipitazione, del pH e dei carichi di zolfo e azoto relativi alle piogge campionate nella stazione del Centro Comune di Ricerca (CCR) di Ispra. 58 29 Conseguenze delle piogge acide Sui materiali Le precipitazioni acide svolgono sia un’azione di tipo corrosivo, sia un’azione prettamente meccanica di dilavamento del materiale reso friabile e solubile dagli acidi. I materiali soggetti all’azione erosiva delle piogge acide sono: pietra calcarea, cemento armato, ferro, rame, … Sulla vegetazione L’aggressione nei confronti delle piante è duplice. Può avvenire attraverso le foglie, oppure attraverso modificazioni nella composizione chimica del terreno. Nelle foglie si accumulano inutilizzati i solfiti che, ad alta concentrazione, causano la distruzione della clorofilla, il collasso delle cellule e la necrosi dei tessuti; nel terreno acidificato, invece, si libera lo ione alluminio che è in grado di sostituire il calcio dai suoi siti di legame sui peli radicali delle piante; avviene una diminuzione dell’apporto dei nutrienti e la pianta si indebolisce notevolmente, esponendosi all’attacco di insetti, malattie e variazioni climatiche eccessive. 59 Azione delle piogge acide sui materiali La foto a sinistra è stata scattata nel 1908, mentre la foto a destra è del 1968: sono trascorsi solo 60 anni! 60 30 Sull’ecosistema Nei suoli poveri o totalmente privi di calcare gli inquinanti acidi causano l’impoverimento del terreno per la perdita di ioni calcio, magnesio, potassio e sodio; il processo comporta anche la liberazione nel terreno degli ioni metallici che risultano spesso tossici per le piante. Anche i corpi idrici sono soggetti ai fenomeni di acidificazione, le conseguenze sugli organismi acquatici possono essere sia dirette, cioè dovute alla tossicità delle acque, sia indirette, cioè dovute alla scomparsa dei vegetali o delle prede più sensibili all’acidificazione e che costituivano parte della catena alimentare. 61 Sull’uomo Le precipitazioni acide non rappresentano un pericolo diretto per la salute umana. Possono insorgere dei danni alla salute indirettamente, cioè nel caso in cui ci si nutra di alimenti provenienti da acque acide, per esempio pesci che abbiano accumulato nel loro corpo grandi quantità di metalli tossici (alluminio, manganese, zinco, mercurio, cadmio) liberati dai suoli e dilavati nelle acque per effetto dell’acidificazione. In ogni caso, i danni più gravi sono provocati dagli inquinanti che causano le piogge acide (il biossido di zolfo e gli ossidi d’azoto), che interagiscono nell’atmosfera formando delle particelle di solfati e nitrati che possono essere trasportate anche a grande distanza dai venti; queste particelle possono poi essere inspirate e così penetrare in profondità nei polmoni. 62 31 SMOG FOTOCHIMICO Lo smog fotochimico è un particolare inquinamento dell’aria che si produce nelle giornate caratterizzate da condizioni meteorologiche di stabilità e di forte insolazione (T almeno di 18°C). Gli ossidi di azoto (NOx) e i composti organici volatili (VOC), emessi nell’atmosfera da molti processi naturali od antropogenici, vanno incontro ad un complesso sistema di reazioni fotochimiche indotte dalla luce ultravioletta presente nei raggi del sole; il tutto porta alla formazione di ozono (O3), perossiacetil nitrato (PAN), perossibenzoil nitrato (PBN), aldeidi e centinaia di altre sostanze. Questo particolare smog si può facilmente individuare per il suo caratteristico colore che va dal giallo-arancio al marroncino, colorazione dovuta alla presenza nell’aria di grandi quantità di biossido di azoto. 63 come si presenta lo smog fotochimico Sullo sfondo è ben visibile la cappa di smog fotochimico dal caratteristico colore dovuto alla presenza del biossido di azoto. 64 32 SMOG FOTOCHIMICO Perché si manifesti questo fenomeno devono verificarsi delle precise condizioni ambientali presenza della luce solare (che funge da catalizzatore); temperatura di almeno 18°C, necessaria perché molte delle reazioni del processo di formazione dello smog fotochimico richiedono specifiche energie di attivazione; la presenza di composti organici volatili (VOC); presenza di ossidi di azoto (NOx). 65 Variabili implicate Le precipitazioni possono diminuire l’inquinamento tramite il dilavamento dell’aria. I venti possono trasportare lo smog in aree lontane e rimpiazzare le masse d’aria inquinata con aria pulita; in ogni caso il problema permane nelle zone che ricevono l’aria contaminata. Al contrario le inversioni di temperatura possono aumentare la criticità dei fenomeni di inquinamento da smog fotochimico. Di solito durante il giorno l’aria vicino alla superficie si riscalda e, mentre si riscalda, sale trasportando con sé gli inquinanti. Questo favorisce la rimozione degli inquinanti che si disperdono nell’ambiente. Nel caso in cui sia presente un’inversione di temperatura in quota, gli inquinanti restano intrappolati al suolo. 66 33 Variabili implicate La topografia è un altro importante fattore che influenza notevolmente il fenomeno dello smog fotochimico. Le comunità situate nelle valli sono più suscettibili al fenomeno perché le montagne e le colline che le circondano tendono a limitare il rimescolamento dell’aria. Per quanto riguarda l’influenza della luce del sole occorre considerare la relazione che vi è fra l’intensità della radiazione solare e la presenza dell’ozono nell’aria. Il livello di ozono presenta una periodicità giornaliera che rispecchia quasi fedelmente l’andamento della radiazione solare; questo perché la luce del sole è responsabile delle reazioni di fotodissociazione che portano alla sua formazione. 67 Smog classico (o industriale) A differenza dello smog fotochimico, lo smog classico è di colore grigio-nerastro. Questo tipo di smog era frequente nelle ore prossime all' alba, in condizioni di bassa insolazione, bassa velocità del vento e temperatura prossima a 0°C; quindi era più comune nella stagione autunnale ed invernale. Veniva prodotto quando il fumo ed il biossido di zolfo, liberati nel corso della combustione del carbone, si combinavano con la nebbia ed era talmente tossico da provocare decine di migliaia di morti ogni anno. A partire dagli anni ’50, l’utilizzo di altri combustibili fossili e di altre fonti energetiche, come la nucleare o l’idroelettrica, ha ridotto di molto la frequenza e la gravità dei fenomeni di smog industriale. 68 34 Conseguenze dello smog fotochimico Sull’uomo Un’esposizione allo smog a bassi livelli di concentrazione provoca solo un’irritazione agli occhi, al naso, alla gola ed una fastidiosa lacrimazione. Un’esposizione acuta può però peggiorare questi sintomi e condurre all’infiammazione dei polmoni, ad una crescente difficoltà nel compiere la respirazione e ad un aumento degli attacchi di asma. Sull’ambiente Gli effetti ambientali dello smog fotochimico sono particolarmente evidenti sui vegetali. Le sostanze presenti nello smog fotochimico possono ridurre o addirittura bloccare la fotosintesi, diminuire la velocità di crescita ed anche limitare la riproduzione. Le sostanze più imputate sono l’ozono e soprattutto il perossiacetil nitrato (PAN), L’ozono, il principale inquinante secondario, può danneggiare diversi composti, può causare il deterioramento delle gomme e delle plastiche, una riduzione nella resistenza dei composti tessili ed il danneggiamento delle vernici. 69 EFFETTO SERRA Il fenomeno dell’effetto serra è causato da alcuni gas presenti nell’atmosfera che assorbono la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre irradiata dal sole rimandandola verso il basso. Uno tra i principali gas responsabili di tale fenomeno è l’anidride carbonica; assieme ad esso contribuiscono altri gas presenti in quantità minori nell’atmosfera come: metano, ossidi di azoto, ozono e diversi clorofluorocarburi (composti che contengono cloro, fluoro carbonio e a volte idrogeno). L’aumento dei gas serra si è avuto dopo la rivoluzione industriale per l’uso esasperato di combustibili fossili e la notevole deforestazione, che ogni anno elimina molti ettari di foreste che esplicano sia un’azione diretta di regolazione del clima sia indiretta per la fissazione di CO2 in materia organica. 70 35 Rappresentazione schematica dell’effetto serra 71 Conseguenze dell’effetto serra La principale conseguenza dovuta all’effetto serra è un significativo incremento della temperatura, si è infatti registrato un aumento circa 1°C dalla fine del 1800. I 10 anni più caldi del ventesimo secolo sono stati quelli dal 1985 al 2000 (il 1998 è stato quello record). 72 36 Conseguenze dell’effetto serra In seguito all’aumento di temperatura si verificano altre conseguenze come: distruzione di molte specie vegetali ed ecosistemi a causa della lenta capacità di adattamento delle piante ai cambiamenti climatici; danno al fitoplancton (alghe microscopiche che sono alla base della catena alimentare degli oceani); riduzione dei evaporazione; corsi d’acqua a causa dell’accelerata l’aumento della richiesta d’acqua e la diminuzione della disponibilità della stessa portano al diffondersi del fenomeno della desertificazione; scioglimento dei ghiacciai con conseguente aumento dei livelli marini e salinizzazione delle falde acquifere. 73 Conseguenze dell’effetto serra 74 37 BUCO DELL’OZONO L’ozono stratosferico, a differenza dell’ozono troposferico che è dannoso per la salute dell’uomo e delle piante, costituisce uno scudo protettivo contro la maggior parte della radiazione ultravioletta (raggi UV) proveniente dal sole, impedendole di raggiungere la superficie terrestre. Negli ultimi decenni si è potuto evidenziare che in primavera (settembre-ottobre) lo strato di ozono nella zona al di sopra dell’Antartide (Polo Sud) è diminuito di circa il 40%: si è in sostanza formato un "buco" nello strato di ozono stratosferico. L’assottigliamento risulta più marcato in questa zona del globo soprattutto per l’azione determinante che ha il freddo nei meccanismi di degradazione dell’ozono. 75 Buco dell’ozono Rappresentazione del buco dell' ozono realizzata dal Royal Netherlands Meteorological Institute (RNMI); l' immagine si riferisce alla giornata del 18 settembre 2001. 76 38 Inquinanti implicati Le sostanze causa deI continuo e graduale impoverimento dell’ozono della stratosfera vengono anche definite ODS, Ozone Depleting Substances (sostanze che distruggono l’ozono). Gli ODS sono generalmente molto stabili nella troposfera e si degradano solamente per l’intensa azione della luce ultravioletta nella stratosfera; quando si spezzano, rilasciano atomi di cloro e di bromo che danneggiano l’ozono. I principali sono: Clorofluorocarburi (CFC): comunemente utilizzati come refrigeranti, solventi ed agenti propellenti; Idroclorofluorocarburi (HCFC): composti chimici che vengono utilizzati temporaneamente per rimpiazzare i CFC; gas Halon (Bromofluorocarburi): sono utilizzati come agenti estinguenti del fuoco, sia in sistemi fissi che in estintori portatili. 77 Conseguenze del buco dell’ozono Sull’uomo I raggi UV-B sono in grado di attaccare e danneggiare molecole come il DNA e l’RNA, così se l’esposizione a questi raggi diviene eccessiva, si possono sviluppare sia dei melanomi che altri tipi di cancro della pelle. Un altro possibile effetto consiste nella creazione di varie interferenze nella regolazione dei meccanismi di difesa immunitaria; il tutto contribuisce all’aumento delle malattie a causa delle minori potenzialità difensive naturali di ogni persona. L’effetto più evidente e diretto è invece legato all’azione che i raggi UV esercitano sulla retina dell’occhio, dove provocano danni che possono rapidamente portare alla cecità. Fortunatamente il buco dell’ozono ed in generale la diminuzione dell’ozono stratosferico non rappresentano, al momento, un rischio immediato per la salute dell’uomo. 78 39 Sull’ambiente Come nel caso degli esseri umani gli effetti del buco dell’ozono non sono ancora particolarmente gravi, almeno per gli animali superiori. Dato che queste radiazioni vengono assorbite da pochi strati di cellule (logicamente quelle più superficiali), gli organismi di dimensioni maggiori sono più protetti degli esseri più piccoli, come quelli unicellulari. In effetti gli organismi marini che costituiscono il fitoplancton e lo zooplancton, che giocano un ruolo cruciale nella catena alimentare marina, sono estremamente sensibili. Sulle piante le radiazioni UV comportano in genere un rallentamento della crescita a causa di un effetto limitante nella crescita della superficie fogliare e quindi dell’area deputata alla cattura dell’energia solare. In piante irradiate da raggi UV si verifica sempre un decadimento generale ed una riduzione nel peso secco. 79 SOLUZIONI E PROVVEDIMENTI Per ridurre l’emissione di sostanze inquinanti e accelerare i processi di recupero ambientale dell’atmosfera sono stati presi, nel corso degli anni, diversi provvedimenti che interessano tutte le fonti antropogeniche causa dell’inquinamento atmosferico e delle relative conseguenze. Si tratta di provvedimenti sia di tipo politico sia tecnologico e gestionale,… ed interessano: fonti rinnovabili per la produzione di energia; combustioni più efficienti; abbattimento dei fumi dei camini industriali; riduzione delle emissioni derivanti dal traffico; eliminazione di alcune sostanze particolari (ex. CFC). 80 40 TECNOLOGIE ALTERNATIVE La produzione di energia da fonti tradizionali, quali sono il petrolio ed il carbone, oltre ha diminuire la disponibilità della risorsa muovendosi verso uno sviluppo insostenibile, è causa di un elevato inquinamento atmosferico, si indirizza quindi l’attenzione verso fonti di energia che, oltre ad essere rinnovabili, determinano un impatto ambientale minore: energia eolica; energia solare; energia geotermica; energia idroelettrica; biomassa; rifiuti. 81 COMBUSTIONI PIÙ EFFICIENTI I sistemi di teleriscaldamento urbano rappresentano un’importante opportunità di uso razionale dell’energia e un grande contributo per la riduzione dei gas a effetto serra e dell’inquinamento locale. Il calore che viene distribuito con i sistemi di teleriscaldamento urbano deriva da impianti a produzione semplice (solo calore) e a produzione combinata (calore + energia elettrica). Alla prima tipologia di impianti appartengono le caldaie per produzione di calore in forma di vapore, acqua calda, acqua surriscaldata, olio diatermico. Gli impianti a produzione combinata, invece, sono gli impianti di cogenerazione. 82 41 ABBATTIMENTO DEI FUMI La necessità di limitare la presenza delle sostanze inquinanti nell’aria comporta spesso l’utilizzo di svariati sistemi di abbattimento. Questi sistemi si sono rivelati pressoché indispensabili nell’ambito delle attività industriali che producono inquinanti aerodispersi in grandi quantità. A seconda della loro funzione, le tecnologie di abbattimento degli inquinanti presenti nelle emissioni industriali si suddividono in tre grandi categorie. 83 Recupero dell’inquinante Nel caso in cui all’inquinante sia associato un valore economico rilevante, si scelgono dei processi che permettono il suo recupero e l’eventuale riciclo, come l’adsorbimento su carboni attivi oppure la condensazione. I sistemi di adsorbimento più diffusi sfruttano le notevoli proprietà dei carboni attivi, materiali di origine vegetale o minerale caratterizzati da una porosità estremamente elevata. Le loro capacità adsorbenti sono particolarmente indicate per l’abbattimento dei composti organici. 84 42 Recupero sotto forma termica Se gli inquinanti presenti nelle emissioni sono caratterizzati da un buon potere calorifico e non è molto conveniente dal punto di vista economico un loro recupero per riutilizzarli nel ciclo produttivo, si procede invece al loro incenerimento con il recupero della loro energia sotto forma termica. Nell’ossidazione catalitica il flusso d’aria contaminato viene riscaldato alla temperatura richiesta tramite un bruciatore a gas e poi viene fatto passare attraverso il supporto col catalizzatore (letto). Il catalizzatore fa sì che la reazione di ossidazione dei composti organici avvenga ad una temperatura notevolmente più bassa di quella richiesta per l’ossidazione termica non catalizzata. Il tipico combustore catalitico opera infatti a temperature di 300° - 450°C e questo rappresenta il vantaggio principale (minore temperatura operativa, utilizzo 85 di meno combustibile). Abbattimento dei fumi Se i processi industriali comportano la liberazione di emissioni gassose ricche di particolato si deve invece procedere all’abbattimento degli inquinanti mediante l’utilizzo di sistemi come le camere a deposizione, i cicloni, i separatori ad umido, i precipitatori elettrostatici o i filtri tessili. Permette di depurare grandi flussi d’aria caratterizzati da un’alta contaminazione di polveri. Il flusso dell’aria contaminata è sempre diretto dall’esterno verso l’interno delle maniche. L’aria che attraversa il materiale filtrante penetra all’interno delle maniche e risale verso l’apertura posta in cima; poi defluisce all’esterno dell’impianto attraverso un condotto apposito. Il particolato invece si deposita sulla superficie esterna dei filtri. La pulizia del sistema prevede l’immissione all’interno di un’intera fila di maniche di un rapido getto di aria compressa che fa scuotere il materiale filtrante e provoca la frantumazione dello strato di polvere e la sua caduta in una tramoggia di raccolta sottostante. 86 43 RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DERIVANTI DAL TRAFFICO Esistono diverse possibilità per intervenire sul traffico veicolare: dall’applicazione di politiche mirate alla riduzione del flusso di traffico, all’utilizzo di diversi combustibili per l’alimentazione dei veicoli, al cambiamento dei componenti dei veicoli oppure del veicolo stesso. 87 Uso di diversi combustibili: benzina verde (senza Pb); biodiesel; metano. Cambiamenti del veicolo: marmitta catalitica; auto elettriche; veicoli ibridi; auto a idrogeno o con celle a combustibile. Politiche mirate alla riduzione delle emissioni: blocco del traffico, targhe alternate e “domeniche verdi”; promozione dei trasporti pubblici; condivisione del viaggio (“car pool”). 88 44 ELIMINAZIONE DEGLI ODS Il Protocollo di Montreal (adottato 1987) e il Regolamento europeo hanno stabilito la data per l’eliminazione delle sostanze lesive per l’ozono sulla base della loro pericolosità. Nel caso dei CFC, halon, tetracloruro di carbonio e tetracloroetano la produzione e il consumo sono cessate già dalla metà degli anni ’90. Per HCFC e bromuro di metile ci si sta avviando verso l’eliminazione dei consumi che avverrà entro il 2005 per gli HCFC ed entro il 2004 per il bromuro di metile. 89 Protocollo di Kyoto (1997) Si tratta di un accordo internazionale, sottoscritto nel 1997 da 84 Paesi, che indica gli obiettivi per la riduzione dei gas ad effetto serra; il tasso di riduzione delle emissioni è differenziato per ogni paese, con un valore medio pari al 5,2%. Alcuni significativi tassi di riduzione sono: • Europa –8% (6,5% per l' Italia) • USA –7% • Canada, Ungheria, Polonia e Giappone – 6% L’obiettivo è da realizzare entro il 2012, utilizzando come anno base il 1990. Il Protocollo è entrato in vigore il 3030-0909-04, con la firma dalla Federazione Russa, che "vale" il 17,4%! (condizione necessaria perché entrasse in vigore era la ratifica di almeno 55 Paesi che rappresentassero, con le loro emissioni, almeno il 55% del totale). 90 45