INQUINAMENTO ATMOSFERICO

1. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Mauro Rotatori CNR Istituto sull’Inquinamento Atmosferico

2. STORIA DELL’INQUINAMENTO ATMOSFERICO Plinio il Vecchio: “…quando lascio l’aria pesante di Roma e l’odore dei fornelli fumanti che emettono ogni sorta di vapori e di cenere nell’aria intorno, mi sento molto meglio” Honoratus Fabri (1670): “…certi tipi di pioggia causano danni ai frutti e talvolta l'intero frutto viene bruciato. Per esempio la pioggia che cade durante le ore più calde nel mezzo del giorno in gocce rade ma grandi, come evapora lascia particelle acide sui frutti. A causa della loro grande capacità di acidificazione, il frutto viene bruciato, dessiccato oppure mostra lesioni od altri danni”

3. COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA L’atmosfera può essere divisa in regioni distinte in base alla distanza dalla superficie terrestre. In particolare la porzione di atmosfera compresa nei primi 80 Km è chiamata omosfera

4. COMPOSIZIONE DELL’ATMOSFERA In particolare, i gas che costituiscono l’omosfera sono presenti nella seguente percentuale: 4

5. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Si definisce inquinamento atmosferico lo stato della qualità dell’aria conseguente alla immissione nella stessa di sostanze di qualsiasi natura in misura e condizioni tali da alterare la salubrità e da costituire pregiudizio diretto o indiretto per la salute dei cittadini o danno ai beni pubblici o privati

6. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Pulviscolo Esalazioni vulcaniche Naturale Decomposizione materiale organico Combustione incendi Ossidi di azoto da scariche elettriche Origine Buchi di Ozono Grande Scala Effetto Serra Piogge acide Antropica Industrie Piccola Scala Traffico autoveicolare Centrali di riscaldamento

7. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Grande Scala Effetto Serra L’uso massiccio dei combustibili fossili (carbone, petrolio, gas) ha portato alla liberazione di enormi quantità di CO2 in tempi relativamente brevi. L’aumento della concentrazione della CO2 nell’aria determina la variazione di parametri atmosferici con conseguenze rilevabili sul clima derivanti da un aumento della temperatura.

8. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Grande Scala Effetto Serra La temperatura media della Terra sta aumentando ad una velocità non naturale. Il 1998 è stato l’anno più caldo del secolo scorso, con un incremento di circa 1°C La temperatura media globale del 1998 al record degli ultimi 1000 anni. (Hileman, 1999).

9. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Grande Scala Effetto Serra: Protocollo di Kyoto • Il protocollo di Kyoto concerne le emissioni di sei gas ad effetto serra: • biossido di carbonio (CO2); • metano (CH4); • protossido di azoto (N2O); • idrofluorocarburi (HFC); • perfluorocarburi (PFC); • esafluoro di zolfo (SF6). Rappresenta un passo avanti importante nella lotta contro il riscaldamento planetario poiché contiene obiettivi vincolanti e quantificati di limitazione e riduzione dei gas ad effetto serra.

10. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Grande Scala Effetto Serra: Protocollo di Kyoto • Il Protocollo di Kyoto impegna i Paesi industrializzati e quelli ad economia in transizione (i Paesi dell'est europeo) a ridurre complessivamente del 5% nel periodo 2008-2012 le principali emissioni antropogeniche di gas capaci di alterare l'effetto serra naturale del nostro pianeta • Per raggiungere questi obiettivi, il Protocollo propone una serie di provvedimenti: • rafforzare o istituire politiche nazionali di riduzione delle emissioni (miglioramento • dell'efficienza energetica, promozione di forme di agricoltura sostenibili, sviluppo di fonti • di energia rinnovabili, ecc.); • cooperare con le altre parti contraenti (scambi di esperienze o di informazioni, • coordinamento delle politiche nazionali a scopo di efficienza attraverso meccanismi di • cooperazione, quali i diritti di emissione, l'attuazione congiunta e il meccanismo di • sviluppo pulito).

11. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Grande Scala Buco di Ozono La distruzione dell’ozono stratosferico osservata è dovuta alla immissione nell’atmosfera soltanto di una parte dei CFC usati finora. Dei 12 milioni di tonnellate di CFC usati nel 1950 ad oggi soltanto 5 milioni di tonnellate sono finite nell’atmosfera. La maggior parte dei CFC finora impiegati, circa 7 milioni di tonnellate, è ancora contenuta o inrappolata nelle imbottiture, nei frigoriferi, nei pannelli isolanti, ecc.

12. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Grande Scala Piogge Acide L’acidità delle precipitazioni atmosferiche è determinata dal progressivo aumento delle concentrazioni di Ossidi di zolfo e di azoto presenti nell’atmosfera, derivati dalla crescita del consumo di combustibili fossili, che si aggiungono a quelli naturalmente presenti nell’aria Queste sostanze entrano in contatto con le gocce di pioggia all’atto della loro formazione durante la loro caduta, determinando la formazione di soluzioni diluite di acido solforico e nitrico. Le precipitazioni risultano così alterate in una loro caratteristica essenziale – il pH - e possono innescare una serie di scompensi nei delicati equilibri che regolano i processi biotici e abiotici sul nostro pianeta Nel mondo sono diverse regioni che hanno particolari problemi dovuti all’acidità come il nord Europa, gli Stati Uniti, il Canada, il Giappone e alcune parti della Cina.

13. INQUINAMENTO ATMOSFERICO Piccola Scala • Principali inquinanti nell’inquinamento su aree urbane, industriali, semirurali • Particolato • Idrocarburi • Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) • Ossidi di azoto • Aldeidi e chetoni • Arsenico, Nichel, Cadmio e Mercurio • Biossido di zolfo • Ossido di carbonio • Ozono - Smog fotochimico

14. INQUINAMENTO ATMOSFERICO A seconda degli inquinanti considerati cambia il contributo percentuale delle fonti: NOx, CO, Particolato Traffico veicolare SOx Vulcani, Centrali termoelettriche Ammoniaca e metano Agricoltura e allevamenti COV Verniciature, sintesi di produzione chimiche, industria della stampa, traffico

15. Metodi di source apportionment . L’individuazione dei contributi terrigeni locali I sali di ammonio e gli organici volatili La quantificazione dei diversi contributi biologici La combustione delle biomasse La dimensione e la composizione chimica Le mappe spaziali La “certificazione” degli eventi naturali La componente terrigena, locale, trasportata e risollevata La ricerca delle sorgenti Le difficoltà nel prelievo Il bio-aerosol PM La componente organica Gli effetti sulla salute Gli effetti sul clima e sull’ecosistema L’aerosol secondario Il rispetto della legislazione

16. PMx in ambiente Sorgenti naturali Sorgenti antropogeniche Reazioni in fase omogenea Reazioni in fase eterogenea Processi di accrescimento e rimozione Condizioni meteorologiche Distribuzione granulometrica Composizione chimica Concentrazione PMx

17. PMx in ambiente • Misura di massa PM10; PM2,5; PM1 • Caratterizzazione chimica Composizione ionica, metalli, carbonio, idrocarburi policiclici aromatici, etc • Caratterizzazione granulometrica 0,1 µm÷10 µm MASS MODE ACCUMULATION (concentrazioni in massa) Impattori inerziali, APS, OPC 0,005 µm÷0,2 µm NANO-PARTICELLE (concentrazione in numero) DMA, CNC, DMSS

18. 40 mg/m3limite conc. media annuale • max 35 superamentiall’anno del limite per la concentrazione media giornaliera (50 mg/m3) DIRETTIVA 1996/62/CE – QUALITA’ DELL’ARIA DIRETTIVA 1999/30/CE – SO2, NOx, Pb, PM10 DIRETTIVA 2004/107/CE – As, Cd, Ni, IPA (benzo[a]pirene) DIRETTIVA 2008/50/CE – PM2.5 0.5 mg/m3 6 ng/m3 5 ng/m3 20 ng/m3 1 ng/m3 • 25 mg/m3valoreobbiettivo (dal 2010) • 25 mg/m3valorelimite (dal 2015) COSA RICHIEDE LA LEGGE? ma anche…. VALUTAZIONE DEGLI EVENTI NATURALI SPECIAZIONE CHIMICA del PM2.5 in 3 SITI di FONDO RURALI MISURA DEGLI IPA in 7 SITI di FONDO URBANO SPECIAZIONE CHIMICA del PM10 e PM2.5 in 7 SITI di FONDO URBANO edaltrenecessità per stazioni “speciali”

19. Composizione chimica del particolato • Risposta alle richieste del legislatore • Valutazione dell’efficacia di piani e provvedimenti • Identificazione delle sorgenti e del loro peso relativo • Studi di impatto ambientale • Valutazione degli effetti sulla salute • Ambienti di lavoro • Esposizione personale

20. Composizione chimica del particolato: MACROCOMPONENTI • Solo poche specie chimiche inorganiche • costituiscono più dell’ 1% della massa del PM: • alcuni metalli: Al, Si, Fe • i principali anioni: Cl-, NO3-, SO4=, CO3- • i principali cationi: Na, NH4+, K+, Mg++, Ca++ • il carbonio elementare il 20-60% del PM è costituito invece da materiale organico (classe formata da migliaia di specie diverse, nessuna delle quali rappresenta individualmente oltre l’1% della massa di PM) per le specie organiche il monitoraggio si concentra quindi sulle specie tossiche e nocive e sui traccianti di sorgenti specifiche

21. 1.  Anioni e cationi (NO3-, SO4=, Cl-, Na+, Ca++, Mg++, K+, NH4+)  2. Carbonio elementare ed organico (EC, OC) 3.  Metalli di provenienza crustale (Si,Al, Fe, Ca, K) 4. Metalli in tracce (As, Cd, Cr, Cu, Mg, Mn, Ni, Pb, Sb, Sn, Ti, V, Zn) METODI DI ANALISI Cromatografia ionica Analizzatore termo-ottico Fluorescenza di raggi X (ED-XRF) Spettroscopia di emissione al plasma (ICP-MS)

22. PM PM PM PM PM PM PM PM PM PM PM PM 10 10 10 10 10 10 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 Filtro in Filtro in Filtro in Filtro in Filtro in Filtro in Filtro in Filtro in quarzo quarzo quarzo quarzo Teflon Teflon Teflon Teflon Metalli Metalli Metalli Metalli Carbonio elementare Carbonio elementare Carbonio elementare Carbonio elementare Analisi Analisi Analisi ED ED ED - - - XRF XRF XRF crustali crustali crustali crustali Carbonio organico Carbonio organico Carbonio organico Carbonio organico termo termo termo - - - ottica ottica ottica Estrazione Estrazione Estrazione ICP ICP ICP - - - Metalli in Metalli in Cromatografia Cromatografia Cromatografia OES OES MS tracce tracce Anioni e cationi Anioni e cationi ionica ionica ionica Mineralizzazione Mineralizzazione Mineralizzazione Mineralizzazione Metalli in Metalli in ICP ICP ICP - - - tracce tracce OES MS OES

23. CONCENTRAZIONE DI MASSA DEL PM10 A MONTELIBRETTI (ROMA) RISULTANTE DALLA DETERMINAZIONE GRAVIMETRICA (blu) E RICOSTRUITA COME SOMMA DEI RISULTATI DELLE ANALISI CHIMICHE (rosso)

24. MARE VULCANI DESERTI ESSERI VIVENTI NATURALI ANTROPOGENICHE SORGENTI TRAFFICO RISCALDAMENTO INDUSTRIA

25. [combustione] = EC + 1.1 EC [OM] [biosfera] = OM – 1.1 EC [atmosfera] = NH4+ + nssSO4= + NO3- [mare] = (Na+ + Cl-) * 1.176 [SO4= Mg Ca K] [terra] = 1.89 Al + 2.14 Si + 1.42 Fe + 1.35 NaI + 1.4 CaI + 1.67 MgI + 1.2 KI + CO3 + MgS + CaS A PARTIRE DALLA COMPOSIZIONE CHIMICA DEL PM SI PUO’ ARRIVARE A STIMARE LA FORZA DELLE SORGENTI PRINCIPALI

26. Determinabile chimicamente solo in minima parte

29. WINTER SUMMER SPRING

31. ROMA

32. FERRARA

33. TEL AVIV (ISRAELE)

34. Podgorica (MONTENEGRO)

35. GUIDONIA

36. TUNISI

37. CHAMONIX COMBUSTIONE DOMESTICA

38. POSTAZIONE CHAMONIX POSTAZIONE USCITA TUNNEL CHAMONIX TUNNEL CAMPIONAMENTO PM10 PRESSO UN PAESE IN UNA VALLE ALPINA (CHAMONIX) E ALL’USCITA DEL TUNNEL DEL MONTE BIANCO (FEBBRAIO 2008) Distanzafra le postazioni: circa 2 Km

39. CAMPIONAMENTO PM10 PRESSO UN PAESE IN UNA VALLE ALPINA (CHAMONIX) E ALL’USCITA DEL TUNNEL DEL MONTE BIANCO (FEBBRAIO 2008) TUNNEL (6.1 mg/m3) CHAMONIX (40.4 mg/m3)

40. DETERMINAZIONE DEL LEVOGLUCOSANO TRACCIANTE DELLA COMBUSTIONE DI BIOMASSE • Il levoglucosano è prodotto dalla decomposizione della cellulosa a T>300°C • E’ prodotto dalla legna ma non dalle foglie • Si trova integralemente nella frazione fine del PM • Nella legna da ardere costitusce l’11-17% del carbonio organico (studi USA*)

41. POSTAZIONE CHAMONIX POSTAZIONE USCITA TUNNEL

42. Neimesiinvernali e nelle zone fredde ilcontributodella “biosfera” non è naturale ma antropogenico!!

43. WINTER SPRING SUMMER REGIONAL BACKGROUND URBAN BACKGROUND MONTELIBRETTI Variazionestagionale e spaziale (regione Lazio) dellaconcentrazionedilevoglucosano

44. SAN MARCO BIOENERGIE - ARGENTA CENTRALE PRODUZIONE ENERGIA DA BIOMASSE

45. Ossidi di zolfo Le emissioni antropogeniche rappresentano più di 150 milioni di tonnellate all’anno e sono dovute principalmente ai processi di combustione dei combustibili fossili e liquidi (carbone, petrolio, gasolio); oltre il 90% del biossido di zolfo viene prodotto nell’emisfero Nord. Il carbon fossile ha un contenuto di zolfo che varia dallo 0,1 al 6% e il petrolio greggio dallo 0,05 al 4,5%. Oltre il 90% dello zolfo presente nel combustibile viene trasformato in biossido di zolfo (lo 0,5-2% viene trasformato in anidride solforica ed il resto rimane nelle ceneri sotto forrma di solfati).

46. Ossidi di zolfo Decreto Ministeriale n.60 del 02-04-2002

47. SMOG FOTOCHIMICO SMOG FOTOCHIMICO è originato da reazioni fotochimiche attivate dalla luce del sole. • Nei processi di smog fotochimico si formano sostanze di diversa natura, composizione ed impatto ambientale: • Biossido di Azoto • Ozono • Acido Nitrico • Aldeidi, Chetoni • Perossialchilnitrati (PAN, PPN) • Composti ossigenati vari • Aerosoli

48. SMOG FOTOCHIMICO

49. SMOG FOTOCHIMICO Inquinanti di origine fotochimica: trasformazione da gas a particolato NO + R-NO NO NO + OH HNO • 2 2 • • 2 3 NH + HNO NH NO 3 3 4 3

50. SMOG FOTOCHIMICO: NOx GLI OSSIDI DI AZOTOSVOLGONO UN RUOLO DETERMINANTE NEL MECCANISMO DEL FOTOSMOG In particolare l’NO2è la molecola più importante tra gli inquinanti primari che assorbono radiazioni UV dello spettro solare in quantità significativa NO2+ h NO+O QUESTA REAZIONE INIZIA E SOSTIENE LA CATENA COMPLESSA DI REAZIONI DELLO SMOG FOTOCHIMICO PRODUCENDO OSSIGENO ATOMICO ALTAMENTE REATTIVO