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

Parleremo invece di questo….

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

CO2 e CH4in atmosfera

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)

Dr. X. Querol, CSIC, Barcellona

Effetti degli inquinanti gassosiSi forma nel sangue per interazione tra

CO ed emoglobina

CO

SO2

Da dove arriva l’NO2 ? Il caso di Barcellona…

Dr. X. Querol, CSIC, Barcellona

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)

Nella realtà le cose sono però più complicate….

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

poi ci sono gli effetti della deposizione del PM sul patrimonio artistico…

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

Il ruolo del PM nel Global Change

IPCC Report, 2001

IPCC Report, 2007

Bene, ma…..

Cosa c’entra la fisica

nucleare?

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…

Dr. X. Querol, CSIC, Barcellona

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?

X

FC

SMp

INFN – Firenze: Set-up per analisi di campioni orari di PM

LABEC –INFN Firenze

Come funziona?Finalmente !

EMISSIONE X INDOTTA DA RADIAZIONE INCIDENTE

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

25/1/060.00

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

Monte Cimone

2165 m a.s.l.

The highest mountain of the North-Appennines

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

Episodio di trasporto di polvere sahariana 10 Agosto 2004

HYSPLIT

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

Grazie !

E non dimenticate il ricordino…

I ragazzi di via Dodecaneso…Patrizia Canepa Eleonora Cuccia

Dario Massabò