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Paolo PratiDipartimento di Fisica - Università di Genova
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Sezione di Genova
Genova, 16 febbraio 2010
Inquinamento atmosferico, cambiamenti climatici e fisica nucleare
L’atmosfera terrestre
L’atmosfera è una miscela di gas:
N2: 78.08%, O2: 20.95%, Ar: 0.934%, CO2:
0.033%,…
La sua composizione, grazie al ciclo dell’ossigeno è
rimasta sostanzialmente
costante fino all’inizio dell’era
industriale.Voi siete qui…
Il ciclo dell’ossigenoL’Ossigeno viene continuamente “consumato” nei processi di combustione (tra cui la respirazione):
C+ O2 CO2
Ma il processo della fotosintesi clorofilliana e la dissociazione del vapor d’acqua da parte dei raggi ultravioletti, lo libera nuovamente in atmosfera:
6CO2 +6H2O + 686 Kilocalorie/mole (dal sole) C6H12O6 + 6O
2H2O + γuv O2+ 2H2
L’immissione massiccia di CO2 in atmosfera (e processi quali la deforestazione) stanno però modificando il rapporto “naturale” tra CO2 e O2 in atmosfera. E’ un fenomeno recente (150-200 anni) e dagli esiti non completamente compresi
Inquinanti atmosfericiSi possono catalogare in base alla loro composizione chimica: composti di: Zolfo, Azoto, Carbonio, alogeni (F, Cl, Br, I), sostanze tossiche (Pb, Cr, Hg, Ni, As, Cd, metalli in genere), isotopi radioattivi
Queste sostanze possono essere presenti sotto forma di gas o di particolato (o aerosol). Si distingue anche tra inquinanti primari (emessi direttamente da particolari sorgenti: SOx, NOx, COx) e secondari che si formano in atmosfera tramite reazioni chimiche con i suoi componenti naturali (O3, piogge acide: HS, etc)
Il particolato (o aerosol) atmosferico, PM
particelle atmosferiche raccolte su filtro
Immagini fornite dal Centro di Microscopia Elettronica, ARPA Lombardia
Agglomerati di molecole, solidi o liquidi, dispersi in atmosfera con dimensione tra pochi nanometri(1 nm= 1 miliardesimo di metro)fino a qualche decina di micron (1 μm = 1 milionesimo di metro)
Effetti sanitari del particolato atmosferico
Riduzione della capacità polmonareTrasporto di sostanze tossiche nel sangue
La penetrazione delle polveri nell’apparato
respiratorio aumenta al diminuire delle dimensioni
Le leggi italiane (ed europee) regolamentano il PM10 e il
PM2.5
Media annuale PM10 < 40 μg/m3
Media giornaliera PM10 > 50 μg/m3 per non più di 35 gg/anno
Media annuale PM2.5 < 20 μg/m3
Aumento mortalitá fino a 1% ogni 10 μg/m3
di PM10
Gli effetti sulla salute del PM sono provati da numerosi, se pur non conclusivi, studi epidemiologici
E sull’ambiente… come la riduzione della visibilità
ps: negli USA, con il “Cleanair act” da circa 20 anni si
controlla la concentrazione di PM nei parchi nazionali per
preservarne anche la “fruibilità” turistica
Il 30% della radiazione solare viene riflessa da suolo ed atmosfera, il 70% assorbita: la CO2 in atmosfera assorbe parte della radiazione infrarossa emessa dalla crosta terrestre “intrappolandola”(variazione dell’Effetto Serra). Si stima oggi un effetto del PM nell’ordine di 1.5 W/m2
Il Climate Forcing
Quali sono le sorgenti del PM?Cioè i processi chimico-fisici che immettono il PM (e gli inquinanti
gassosi) in atmosfera?Che impatto hanno sulla concetrazione
di PM ?E di conseguenza ...
Come si fa ad abbattere le concentrazioni e a migliorare la qualità
dell’aria ?
… c’entra perché con tecniche mutuate dalla fisica nucleare sperimentale si può
contribuire a rispondere ad una domanda cruciale:
Sorgenti naturali, quali ad esempio:Spray marino Trasporto di
Sabbia Sahariana
Eruzioni vulcaniche Incendi di foreste
…ed altre ancora…
Sorgenti antropogeniche, quali ad esempio:
TrafficoAttività IndustrialiRiscaldamento domestico Centrali termoelettricheInceneritori……
…ed altre ancora…
Il problema del riconoscimento è complesso e si può tentare con:
1) Composizione ma sorgenti diverse possono emettere le stesse sostanze
2) Andamento temporale ma la meteorologia (i venti ad esempio) possono confondere
3) Dimensione ma molte sorgenti emettono polveri di dimensione simile
Solo la conoscenza di tutti questi “parametri” può consentire di risolvere
il problema, qualitativamente e quantitativamente
Il primo passo è procurarsi un campione da analizzare… è una fase cruciale
Filtro o impattore
Pompa, controllo del φ
ps: a norma di legge si “campiona” per 24 ore…
Si possono ottenere campioni anche selezionando la dimensione delle polveri usando gli Impattori Inerziali…
o cercarndo anche di mantenere il “pattern” temporale
MOTOR
NUCLEPORE FILTER
AIR OUTLET
KAPTON FILM
PRE-IMPACTOR
AIR INLET
Separazione frazione fine (Dae< 2.5 μm) e grossa (2.5< Dae< 10 μm) del PM10.
1 mm = 1 ora …ma come lo
analizzo?
INFN (Firenze):Analisi della composizione del INFN (Firenze):Analisi della composizione del particolatoparticolato atmosferico raccolto su filtri giornalieri atmosferico raccolto su filtri giornalieri
con tecniche nuclearicon tecniche nucleari
Concentrazione oraria dei traccianti della combustione di oli pesanti
Vanadio (V)Nichel (Ni)
19:00
19:00
9:00 8:00
8:00 9:0019:00
19:00
9:00
12:00
9:00 21:0019:00μg
/m3
Genova - Via Buozzi 2007
Orario partenze arrivi traghetti:8.00 – 10.00
18.00 – 20.00
0
10000
20000
30000
40000
7/11/0712.00 AM
7/13/0712.00 AM
7/15/0712.00 AM
7/17/0712.00 AM
7/19/0712.00 AM
BC (n
g m
-3)
0
100
200
300
400
Cu (n
g m
-3)
BCCu
7:008:00
7:00
8:00
8:00 7:00
19:00
8:00
[BC][Cu]
≈ 100
R2 ≈ 0.8
BC vs elemental concentration time series
Genoa, Blind Alley, July 2007
Low-pressure 12 stage DEKATI impactor: 45 nm - 20 μm
Harbour of GenoaJuly 2008
V-Ni: distibuzione dimensionale, media di 5 giorniDae (μm) Concentration (%)
0.045 – 0.085 4
0.085 – 0.14 12
0.14 – 0.225 24
0.225 – 0.35 26
0.35 – 0.58 11
0.58 – 0.76 4
0.76 – 1.06 2
1.06 – 1.66 3
1.66 – 2.68 4
2.68 – 4.08 4
4.08 – 8.57 6
8.57 – 20 0di oli pesanti
0
100
200
300
0.07 0.12 0.19 0.29 0.46 0.69 0.92 1.32 2.10 3.29 5.85 20.55Diametro (μm)
Conc
entr
azione
(U.A
)
83%17%
13.1
Un sito quasi rurale in Toscana
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
19/1/060.00
20/1/060.00
21/1/060.00
22/1/060.00
23/1/060.00
24/1/060.00
25/1/060.00
26/1/060.00
27/1/060.00
28/1/060.00
Cl FCl C
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
19/1/060.00
20/1/060.00
21/1/060.00
22/1/060.00
23/1/060.00
24/1/060.00
25/1/060.00
26/1/060.00
27/1/060.00
28/1/060.00
0
50
100
150
200
250
300K FK C
0200400600800
10001200140016001800
19/1/060.00
20/1/060.00
21/1/060.00
22/1/060.00
23/1/060.00
24/1/060.00
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26/1/060.00
27/1/060.00
28/1/060.00
Na FNa C
0
100
200
300
400
500
600
19/1/060.00
20/1/060.00
21/1/060.00
22/1/060.00
23/1/060.00
24/1/060.00
25/1/060.00
26/1/060.00
27/1/060.00
28/1/060.00
Al FAl C
Durante l’inverno:
K quasi tutto solubile (da altre fonti)
Picchi di concentrazione nel tardo pomeriggio/sera
Combustione di legna ?
Per gli statali?Milan, february 14th, 2001 : Maintenance works
of a buiding face near the sampler
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2 4 7 9 12 14 16 19 21 0
Con
cent
ratio
n ( μ
g/m
3 )
Mg Al
Si Ca
Lunch time ?!?
Please: don’t tell it to Mr. Brunetta !!
SPE: acciaieria di Cornigliano (EST) o fonderia di Multedo(OVEST)?
0.01
0.10
1.00
10.00
100.00
0
ES T
SUD
OVES T
NORD
100 110 120 130 140 150 160 170Tempo (ore)
Cu
Fe
Con
cent
ratio
n [μ
g/m
3 ]
NORTH
WEST
SOUTH
Wind direction
EAST
Time (Hours)
ISAC – Bologna
Dipartimento di Fisica e INFN – Firenze
Dipartimento di Fisica e INFN – Genova
Istituto di Fisica Generale Applicata e INFN - Milano
Monte Cimone Campagna PM10 – PM1Estate 2004
Sampling form June to October 2004 with daily sequential samplers and optical counter
Goals:
PM10 and PM1 characterization
Detection of saharan dust episodes
Pollution
See the studies in Spain by X. Querol
Genova: giugno 2006
0
10
20
30
40
50
60
70
maggio giugno (1-23) giugno(24-30) luglio
Corso Gastaldi 2006
PM10
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
maggio giugno (1-23) giugno(24-30) luglio
Corso Gastaldi 2006
Cu ( X 20)SSi
data
Una settimana particolare….
Alta T e P formazione e ristagno particolato secondario (S)
Trasporto di sabbia dal Sahara (~ 15 μg/m3 a fine giugno contro una media di ~ 3 μg/m3 subito prima e dopo)
Genova: “profilo” del traffico
traffico
1
10
100
1000
10000
Mg Al Si S Cl K Ca Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Br Pb
ng/m
3
traffico
1
10
100
1000
Na Mg Al Si S Cl K Ca Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Br Sr Pb
ng/m
3
traffico
1
10
100
1000
10000
Na Mg Al Si S Cl K Ca Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Br Mo Ba Pb
ng/m
3
traffico
1
10
100
1000
10000
Na Mg Al Si S Cl K Ca Ti V Cr Mn Fe Ni Cu Zn Br Sr Zr Pb
ng/m
3
Av err Av err Av err Av errCu/Pb 3.8 0.6 3.1 0.5 4.1 1.0 3.8 0.6Cu/Zn 1.0 0.2 0.9 0.1 3.5 1.0 1.2 0.2
Brignole C.so Firenze Cornigliano Multedo
Brignole C.so Firenze
CorniglianoMultedo
La composizione chimica
PM10
Nitrato di Ammonio
Carbonio elementare
Materiale organico
Metalli pesanti
Elementi suolo
Altro
Solfato di Ammonio
PM2.5
Nitrato di AmmonioCarbonio
elementare
Materiale organico
AltroMetalli pesanti
Elementi suolo
Solfato di Ammonio
(composizione media “tipo” in area urbana)
Fonte: JRC -ISPRA
32%
21%
10% 10%
19%
Sale marino
Polvere del suolo
Traffico
Combustione di oli
Aerosol secondario
Il PM10 a Genova
Nota: composizione media misurata dal 2003 al 2009
I Livelli a Genova
15 ± 515/03/09 31/08/09C.So Firenze
SITO PERIODO PM2.5 (μg/m3)
Brignole 01/06/02 11/06/04 22 ± 10
Multedo 11/06/05 04/07/05 21 ± 7
Cornigliano 21/05/05 02/07/05 19 ± 10
Lanterna 16/09/05 23/01/06 19 ± 12
C.so Europa 07/06/06 14/11/06 37 ± 17
Dip. di Fisica 05/05/04 16/06/04 12 ± 3
Via Buozzi 16/05/07 03/10/07 23 ± 7
Il PM10 presenta “sforamenti” dei limiti in alcune zone e/o con condizioni climatiche particolari ma il PM2.5…
A fronte del “limite” UE di 20 μg/m3
Per ottenere informazioni statisticamente significative bisogna analizzare centinaia-migliaia di campioni…
Camera per misure IBA in vuoto con manipolazione automatica dei campioni
Progettata da Franco Parodi e costruita nell’officina della Sezione di Genova
e completare l’informazione ottenuta sull’acceleratore con quella fornita da altre tecniche, quali quelle ottiche che misurano direttamente la frazione
carboniosa del PM che assorbe la luce (Black Carbon)…
Sistema ottico per la misura in automatico della concentrazione di Black Carbonnel PM: sistema di movimentazione progettato da Franco Parodi e realizzato
nell’officina meccanica della Sezione di Genova
CLOUD
While the LHC experiments are fine-tuning their equipments waiting for ‘glamorous’beams, CLOUD has finished its assembly phase and is starting taking data using a beam of protons from the 50 year-old Proton Synchrotron (PS). Here is a quick detour around a cutting-edge physics experiment that will shed light on climate-related matters.
There are a lot of observations suggesting that particles hitting the atmosphere might affect the
production of clouds and, in turn, the planet’s climate”, continues Kirkby. “However, given the
complexity of the climate and the many parameters involved, a
clear answer doesn’t exist yet”.
Ma anche al CERN si lavora su questi argomenti