Dossier - ae-review
 

Dossier

Il particolato atmosferico

Il particolato atmosferico

di Andrea Viola

Introduzione
Il particolato atmosferico è definito come qualunque sostanza, solida o liquida, che si trovi in atmosfera con dimensioni microscopiche ma maggiori delle dimensioni tipiche delle molecole.
Il particolato viene immesso in atmosfera da diverse sorgenti, sia di origine naturale che antropica, e si può formare anche per condensazione di alcuni gas. Alcune sorgenti naturali sono: ceneri vulcaniche, sale marino, polveri provenienti dall’erosione dei suoli, incendi boschivi, pollini. Alcune sorgenti antropiche sono: emissioni dei motori a combustione, emissioni del riscaldamento domestico, emissioni dei processi industriali, emissioni degli inceneritori.
Per essere descritto completamente devono essere note diverse sue caratteristiche: concentrazione, composizione chimica, granulometria, fase solida o liquida e morfologia.
Il carbonio è uno degli elementi che costituiscono il particolato atmosferico e occupa una ampia frazione di concentrazione di massa (dal 20% al 60%) del PM2.5', ovvero il particolato con diametro aerodinamico minore di 2.5 μm. E’ costituito da una frazione di composti organici del carbonio (OC) e da una frazione di carbonio inorganico che viene chiamato carbonio elementare(EC)o black carbon(BC).
In generale il carbonio elementare viene emesso in atmosfera dalla incompleta combustione dei combustibili fossili, del legno e delle biomasse nei trasporti, nel riscaldamento domestico, nella generazione di energia elettrica, nelle attività agricole e negli incendi.
L’OC si origina da un ampia gamma di sorgenti; ha un’origine primaria durante la combustione e un’origine secondaria dalla conversione gas-particella di composti organici volatili in atmosfera, dalla condensazione di composti volatili o dall’adsorbimento chimico-fisico di specie gassose sulla superficie di particelle preesistenti.
L’interesse nei confronti della componente carboniosa del particolato atmosferico è legato ai suoi effetti sulle condizioni climatiche e sulla salute umana. Il particolato carbonioso influisce sulla propagazione e l’assorbimento della radiazione solare, sulla condensazione del vapor acqueo (cosa che favorisce la formazione di smog e nebbie) e sulla visibilità atmosferica. Si ritiene quindi che una sua influenza sul clima e sui cambiamenti climatici sia probabile.
Il particolato atmosferico e la sua frazione carboniosa presentano inoltre effetti nocivi per la salute umana come riduzione della capacità polmonare o trasporto di sostanze tossiche e cancerogene nelle vie respiratorie e nel sangue.
Analizzando la concentrazione totale di carbonio (TC) e delle sue frazioni OC e EC depositata su dei filtri si sono cercate eventuali correlazioni con il traffico cittadino e le condizioni meteorologiche presenti durante la campagna di misura.
 
Misura
Il particolato atmosferico analizzato in questa tesi è stato raccolto in una campagna di misura effettuata in Corso Firenze a Genova dal 1 aprile al 25 maggio 2010; è stato utilizzato un campionatore sequenziale che ha raccolto il particolato su filtri in fibra di quarzo.
L’analisi della componente carboniosa depositatasi sui filtri è stata effettuata utilizzando l’analizzatore termico/ottico di OC/EC Sunset Laboratory. Il metodo di misura di questo strumento consiste, schematicamente, nel volatilizzare le due componenti del carbonio tramite un aumento di temperatura, convertirle in metano e misurarne la concentrazione con un rilevatore di fiamma.
Sono stati analizzati 54 filtri in fibra di quarzo su cui è stato raccolto il particolato dal primo aprile 2010 al 25 maggio 2010, un filtro per ogni giorno di questo periodo. Di ogni filtro è stata misurata anche la concentrazione totale di PM2.5', con una microbilancia.
 
Analisi delle concentrazioni di OC e EC
Dal raffronto dei dati di concentrazione di carbonio elementare, organico e totale si è ricavato che il carbonio rappresenta mediamente il 26,9% della massa totale di particolato atmosferico raccolta sui filtri; nella restante frazione di particolato sono contenuti elementi legati al carbonio, quindi il carbonio e i suoi composti rappresentano un’ampia frazione del particolato.
Si è inoltre rilevato che le concentrazioni di OC sono risultate essere maggiori delle concentrazioni di EC in tutti i giorni di misura tranne tre.
Fig.1  Andamento temporale delle concentrazioni di...

Fig.1 Andamento temporale delle concentrazioni di OC,EC,TC.

Come si vede in Fig.1 gli andamenti sono molto simile e questo suggerisce l’esistenza di sorgenti comuni per le due frazioni di carbonio (per esempio le emissioni del traffico) e/o che le due concentrazioni vengono influenzate allo stesso modo dalle condizioni dell’atmosfera in cui si trovano ovvero principalmente le condizioni meteorologiche.

Correlazione tra traffico e concentrazione di particolato carbonioso
Non avendo a disposizione dati giornalieri sul traffico cittadino nel luogo in cui il particolato atmosferico è stato raccolto, l’unico modo possibile per distinguere l’intensità del traffico, anche se in maniera approssimativa, è stato confrontare le concentrazioni di carbonio nei giorni feriali e nei weekend; sarebbero dovute risultare variazioni nelle misure dovute alla minore attività lavorativa nei weekend. In Fig.2 è riportato questo confronto per il TC; gli andamenti di EC e OC sono analoghi tra loro e al TC.
In cinque casi su otto la concentrazione si è abbassata durante il weekend, in due è rimasta pressappoco costante e su valori inferiori o uguali a quelli dei giorni feriali precedenti e successivi.
In un solo caso la concentrazione è aumentata ,durante il weekend del 24/25 aprile; le ragioni possono essere state sia la festività del 25 aprile che ha mobilitato più traffico rispetto ad altre domeniche sia il fatto di trovarsi in un periodo di innalzamento generale della concentrazione di carbonio dovuto ad altri fattori.
Fig.2  Andamento temporale della concentrazione di...

Fig.2 Andamento temporale della concentrazione di TC nei giorni feriali e nei weekend.

Sono stati calcolati i valori medi di concentrazione nei giorni feriali e nei weekend e ne è stata ricavata la variazione percentuale; nei weekend c’è stata una diminuzione media del 10.5% nella concentrazione di TC rispetto ai giorni feriali suddivisa in una riduzione del 5.1% della frazione OC e in una del 19.6% della frazione EC. La frazione EC varia più marcatamente della frazione OC e quindi appare più sensibile alle variazioni del flusso veicolare che sono sicuramente maggiori del 5% nel passaggio da giorni feriali a festivi.

Fig.3  Andamenti temporali della concentrazione di...

Fig.3 Andamenti temporali della concentrazione di TC e dell’intensità delle precipitazioni.

Correlazione tra condizioni meteorologiche e concentrazione di particolato carbonioso

Per migliorare la comprensione dell’andamento della concentrazione di carbonio durante i due mesi di campionamento sono state cercate delle eventuali relazioni con le condizioni meteorologiche presenti al momento della raccolta del particolato.
Sono stati usati i dati meteorologici forniti dal sito (http:dicat.unige.it/meteo/) del Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni, dell'Ambiente e del Territorio dell'Università di Genova; sono stati usati i dati medi giornalieri di temperatura, pressione, umidità, precipitazioni e intensità del vento. Sono stati confrontati gli andamenti temporali della concentrazione di carbonio e dei valori delle condizioni meteorologiche; di seguito sono riportati questi andamenti su grafici. I giorni in cui sono state presenti precipitazioni corrispondono a giorni in cui si è registrata una bassa concentrazione di carbonio; in particolare nei giorni dal 2 al 9 maggio le piogge sono state abbondanti e la concentrazione è stata ai valori più bassi di tutta la campagna, come analogamente è avvenuto nei primi giorni di aprile (Fig.3).
Fig.4  Andamenti temporali della concentrazione di...

Fig.4 Andamenti temporali della concentrazione di TC e della pressione atmosferica

Le piogge sembrano quindi avere un effetto di pulizia dell’aria, dovuto probabilmente alla cattura di parte del particolato, tra cui anche la frazione carboniosa, da parte delle gocce di pioggia.

E’ stata rilevata anche una buona compatibilità tra le variazioni di concentrazione del carbonio e la pressione atmosferica (Fig.4); i giorni ad elevate concentrazioni sono stati anche i giorni di alta pressione. Solo i primi giorni di aprile non presentano questa correlazione; in quel periodo si sono però verificate rilevanti precipitazioni che possono aver ridotto la concentrazione di particolato carbonioso rimanendo comunque in una situazione di alta pressione.
Le condizioni di alta pressione atmosferica portano stabilità dell’atmosfera al suolo con ridotto rimescolamento verticale degli strati di aria; il particolato può per questo motivo rimanere in maggior quantità al livello del suolo durante le giornate di alta pressione.
Fig. 5 Andamenti temporali della concentrazione di...

Fig. 5 Andamenti temporali della concentrazione di TC e dell’intensità massima del vento raggiunta nei giorni di misura.

La correlazione tra intensità del vento e concentrazione di TC è risultata più incerta; se si eccettua la prima settimana di aprile, a un aumento dell’intensità del vento è corrisposta una diminuzione della concentrazione. Nei giorni dal 4 al 12 aprile questo non è successo. L’influenza contemporanea di altri fattori può aver causato questo effetto. Un’elevata intensità del vento può essere stata legata alla presenza di bassa pressione atmosferica e maltempo e può aver contribuito al rimescolamento degli strati di aria allontanando parte del particolato dal suolo dove erano posizionati i campionatori

Fig.6  Andamenti temporali della concentrazione di...

Fig.6 Andamenti temporali della concentrazione di TC e della temperatura.

Gli andamenti di umidità relativa e temperatura sembrano avere una correlazione rispettivamente diretta e inversa con la concentrazione di TC. Non sono evidenti ragioni per cui variazioni di queste quantità possano variare la concentrazione di particolato e può essere il caso di una correlazione solo apparente; alta umidità e bassa temperatura si verificano di solito in corrispondenza di bassa pressione e precipitazioni, parametri che possono influenzare la presenza del particolato.
Andamenti analoghi a quelli del carbonio totale sono stati rilevati per le frazioni di OC e EC e per la concentrazione totale di PM2.5'.
Fig.7  Andamenti temporali della concentrazione di...

Fig.7 Andamenti temporali della concentrazione di TC e dell’umidità relativa.

Conclusioni

La frazione carboniosa del particolato atmosferico è risultata essere una percentuale in massa rilevante del PM2.5', variabile dal 20% al 40%; le concentrazioni delle due tipologie di carbonio presenti nel particolato, OC e EC, sono risultate correlate nel periodo di misura.
Nella quasi totalità dei giorni di misura la concentrazione di OC si è mantenuta più elevata della concentrazione di EC; in una zona urbana si può quindi supporre che questa sia una condizione ripetibile ma non rappresenta una regola di validità generale in quanto l’immissione di OC ed EC in atmosfera dipende strettamente dall’attività di ogni loro particolare sorgente, attività che può variare molto e non predicibile nel suo complesso.
Ho poi confrontato l’andamento della concentrazione di carbonio nel particolato nei giorni feriali e nei weekend individuando una generale diminuzione della concentrazione ripetutasi in ogni weekend; questo ha portato a individuare nelle emissioni dei motori a combustione del traffico urbano una sorgente di particolato carbonioso.
Ho confrontato la concentrazione di carbonio anche con le condizioni meteorologiche rilevandone una certa correlazione; condizioni di bassa pressione, maltempo e di generale instabilità atmosferica hanno l’effetto di ridurre le concentrazioni di particolato atmosferico e della sua frazione in carbonio.