I modelli di qualità dell'aria
I modelli matematici sono rappresentazioni semplificate della realtà mediante schemi ed equazioni di vario livello di complessità e sofisticatezza.
I modelli di qualità dell'aria sono strumenti che permettono di simulare il comportamento di un inquinante una volta immesso nell'atmosfera e di stimarne le concentrazioni. Tali modelli devono essere in grado di schematizzare e descrivere fenomeni:
- fisici, quali il trasporto di inquinanti dovuto all'azione del vento e la dispersione per effetto dei moti turbolenti dei bassi strati dell'atmosfera;
- chimici, quali le reazioni chimiche di trasformazione;
- fisico-chimici, come, per esempio, la deposizione.
Come risultato, i modelli di qualità dell'aria forniscono una stima delle concentrazioni degli inquinanti in atmosfera in un dominio di calcolo definito. I principali dati che devono essere forniti al modello per il calcolo delle concentrazioni sono:
- le emissioni presenti nell'area di interesse e la relativa caratterizzazione spaziale e temporale;
- i dati meteorologici, che influenzano i processi di trasporto e dispersione degli inquinanti;
- le concentrazioni presenti all'inizio del periodo di simulazione nelle aree adiacenti.
Il risultato della simulazione modellistica è caratterizzato da un certo grado di incertezza intrinseca al modello, data dall’incapacità di descrivere perfettamente la complessità delle interazioni fisiche e chimiche che avvengono in atmosfera, e all’incertezza dei dati che devono essere forniti in ingresso al modello per effettuare le simulazioni.
I modelli di qualità dell'aria possono essere un utile strumento per:
- ottenere valori di concentrazione anche in porzioni di territorio dove non esistano punti di misura o per estendere la rappresentatività spaziale delle misure stesse;
- stimare le concentrazioni derivanti da una o più sorgenti emissive e la loro distribuzione sul territorio circostante;
- ottenere informazioni sulle relazioni tra emissioni e concentrazioni discriminando i contributi delle diverse sorgenti;
- valutare l’impatto di inquinanti non misurati dalla rete di monitoraggio;
- valutare l’impatto di ipotetiche variazioni delle emissioni, considerando scenari alternativi rispetto allo stato attuale o passato.
I modelli matematici di qualità dell'aria possono essere suddivisi, in funzione dell'approccio analitico adottato, in deterministici e stocastici.
I modelli deterministici sono costituiti da algoritmi che riproducono i processi di diffusione, trasporto e trasformazione chimica a cui gli inquinanti sono soggetti una volta emessi in atmosfera e forniscono i valori di concentrazione e deposizione degli inquinanti in un insieme di punti definiti dall'utente. I modelli deterministici possono essere:
- gaussiani. Modelli che ricorrono ad ipotesi semplificative per la risoluzione dell'equazione di trasporto diffusione degli inquinanti in atmosfera e permettono di calcolare l’impatto in aree caratterizzate da terreno non particolarmente complesso, in condizioni meteorologiche variabili lentamente nello spazio e nel tempo, per inquinanti non reattivi.
- Lagrangiani a particelle. Modelli in cui la dispersione dell’inquinante in atmosfera è simulata attraverso l’emissione di un certo numero di particelle che seguono il moto turbolento delle particelle di aria nelle quali sono immerse, in modo che la loro distribuzione spaziale ad un certo istante permetta la determinazione della concentrazione della specie emessa.
- A puff. Possono essere considerati una categoria intermedia tra i modelli gaussiani e quelli lagrangiani. Sono applicabili in condizioni non omogenee e non stazionarie. L'emissione viene discretizzata in una serie di singoli puff, che vengono trasportati ad opera del campo di vento e la concentrazione ad un certo intervallo temporale è data dalla somma del contributo di ogni singolo puff. Possono simulare condizioni di calma di vento e sono applicabili al caso di terreni ad orografia complessa.
- Euleriani a griglia (Chemical Transport Models). Modelli tridimensionali che producono campi orari di concentrazione dei e di deposizione secca e umida, stimati a partire dai valori di concentrazione iniziali e ai bordi dell’area di calcolo e dalle emissioni orarie introdotte nei punti griglia, cui vengono applicati meccanismi di trasporto, dispersione e deposizione e fenomeni di trasformazione chimica.
I modelli stocastici di qualità dell'aria, invece, stimano la concentrazione di inquinante utilizzando l'analisi statistica per correlare le emissioni e le concentrazioni misurate.
La scelta del modello dipende da variabili quali: scala spaziale e temporale; complessità territoriale, orografica e meteoclimatica dell'area; tipologia delle sorgenti di emissione; sostanze inquinanti da considerare e se soggette a reazioni chimiche; disponibilità dei dati di ingresso richiesti e delle risorse informatiche.