La diffusione dei prodotti di combustione nell’atmosfera

Nell’analisi e redazione di un programma energetico che preveda la creazione o l’ammodernamento di centrali energetiche sia termiche che elettriche nel territorio, è necessario valutare l’impatto ambientale e le emissioni prodotte sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo, quindi conoscere la dinamica della fascia atmosferica adiacente alla superficie (troposfera) ed al ruolo che in essa può svolgere il sistema di smaltimento e abbattimento dei prodotti della combustione.

Il meccanismo di diffusione degli inquinanti in atmosfera, viene studiato con modelli matematici che consentono, anche in fase preliminare, di analizzare con una certa sistematicità l’impatto della tecnologia sull’ambiente, sulla salute umana, sul tessuto sociale.

Poiché l’inserimento di impianti sofisticati di depurazione di funi non annulla evidentemente l’impatto ambientale, il modello di dispersione costituisce uno strumento di previsione per valutare gli incrementi di concentrazione di inquinanti prodotti da nuovi insediamenti, di interpretazione di situazioni presenti o passate ed anche di supporto alla valutazione costi/benefici delle diverse soluzioni possibili per il controllo

dell’inquinamento atmosferico. È certamente uno strumento di lavoro indispensabile quando si debba stimare la localizzazione di un impianto di generazione di energia da combustione. L’efficacia di questo strumento dipende in maniera essenziale alla bontà dei dati con cui si intende lavorare.

I modelli matematici utilizzati per la descrizione del fenomeno presentano tutti un grado di incertezza abbastanza significativo, soprattutto a causa delle difficoltà di modellizzazione delle condizioni atmosferiche reali.

Comunque, affinchè un modello di dispersione sia affidabile, è necessario descrivere accuratamente il campo meteorologico, quantificando quelle grandezze fisiche che hanno influenza diretta sulla dispersione degli inquinanti emessi nell’atmosfera.

L’atmosfera può essere considerata in prima approssimazione un sistema termodinamico in cui la temperatura varia in maniera adiabatica, quando, per qualche motivo, una sua piccola frazione si sposta verso l’alto si raffredda, in quanto sottoposta a valori di pressione decrescenti e, al contrario, si riscalda scendendo verso starti a pressione maggiore.

La diminuzione della temperatura di una particella di aria secca (gradiente adiabatico dell’aria secca) che si muove verso l’alto è di circa 1°C ogni 100m.

Si definisce gradiente adiabatico dell’aria satura, la variazione di temperatura relativa ad una particella d’aria satura di vapor d’acqua; questo secondo gradiente è inferiore a quello dell’aria secca.

Quando il gradiente termico è adiabatico, la particella è in equilibrio con l’ambiente che la circonda (stessa temperatura e stessa densità) e quindi non ha nessuna tendenza a continuare un eventuale moto imposto inizialmente: questa condizione atmosferica è detta indifferenza. Tuttavia le condizioni reali dell’atmosfera sono quasi sempre diverse da quelle di gradiente adiabatico; si può ad esempio riscontrare che, salendo, la temperatura alle varie quote sia inferiore a quella corrispondente al gradiente adiabatico. In questo caso una particella d’aria che inizia un movimento discendente proseguirà in questo suo moto perché è più fredda e quindi più pesante dell’aria che la circonda; viceversa se inizia un movimento verso l’alto, la particella proseguirà il suo moto ascendente perché è più calda dell’ambiente circostante.

Quando il gradiente reale di temperatura è superiore a quello adiabatico (gradiente super-adiabatico) si verifica una condizione atmosferica di instabilità.

Un’altra tipica condizione atmosferica che si verifica è il gradiente termico inferiore a quello adiabatico (gradiente sub-adiabatico).

Se l’atmosfera si trova in questa condizione, una particella spinta inizialmente verso l’alto incontrerà strati più caldi e quindi tenderà a ridiscendere, mentre se è spinta verso il basso avrà una temperatura più alta dell’aria che la circonda e quindi tenderà a salire. In definitiva, in entrambi i casi la particella viene riportata nella condizione iniziale.

Questa situazione rigenera quindi un condizione atmosferica di stabilità; se poi il gradiente di temperatura è positivo, cioè se la temperatura aumenta con la quota, si è in presenza del fenomeno di inversione termica che rigenera una situazione atmosferica particolarmente stabile.

In vicinanza del suolo, la temperatura superficiale ha una grande influenza sulla stabilità atmosferica.

Durante la notte la superficie si raffredda a causa dell’irraggiamento e si forma uno strato atmosferico stabile.

62  Durante il giorno la radiazione solare diretta e diffusa riscaldano la superficie, inducendo instabilità nello strato din prossimità della superficie terrestre.

Le condizioni stabili si incontrano, pertanto, durante le notti chiare con venti deboli.

La categoria di stabilità atmosferica è caratterizzata dall’assenza di scambio di energia e di quantità di moto tra gli strati. Pertanto le particelle di aria tendono a rimanere nella loro posizione iniziale ed il gradiente verticale di temperatura è inferiore a 0,01 k/m.

La categoria di instabilità atmosferica, invece, è caratterizzata da grossi trasferimenti di quantità di moto: le particelle, sottoposte a movimenti verso l’alto e verso il basso, subiscono un’accelerazione che rinforza questi movimenti in modo che le particelle tendono a spostarsi nella posizione iniziale.

Il gradiente termico verticale è superiore a 0,01 K/m.

Le condizioni instabili sono tipiche del giorno, con flussi positivi di calore al suolo (soleggia mento).

I vortici creati dal gradiente termico verticale sono di tutte le dimensioni e in tutte le direzioni e il composto emesso nell’atmosfera risente, oltre che il trasporto meccanico dovuto al vento, della presenza di vortici. Oltre al profilo verticale della temperatura, che influenza la risalita del pennacchio, le grandezze fisiche che hanno influenza diretta nella dispersione degli inquinanti nell’atmosfera sono:

• Il profilo verticale del vento, che determina il luogo di ricaduta dell’inquinante;

• Il profilo verticale della turbolenza atmosferica, che determina la diffusione dell’inquinante;

• L’altezza dello strato di mescolamento:

le variabili meteorologiche misurate nel luogo in cui si vuole studiare un fenomeno di dispersione non sono di solito disponibili e si deve quindi ricorrere a dati più facilmente reperibili, come ad esempio la velocità del vento ad una determinata altezza e la temperatura dell’aria; dati che vengono integrati da osservazioni sulla copertura del cielo e sulle caratteristiche del suolo e da informazioni sull’irraggiamento solare e sulla re irradiazione notturna.

Utilizzando questi elementi è possibile, per via empirica, operare una suddivisione in categorie delle diverse condizioni atmosferiche.

Il composto chimico che viene immerso nell'atmosfera è coinvolto da una serie di processi che concorrono alla progressiva diminuzione dei valori di concentrazione in aria sottovento al punto di rilascio. In generale l'interesse è alla valutazione delle concentrazioni a livello del suolo per conoscere l'impatto sull'uomo e sull'ambiente delle diverse tipologie di inquinanti e pertanto interessano i fenomeni che avvengono all'interfaccia tra il suolo e gli strati bassi dell'atmosfera.

Limitando l'analisi ad una emissione isolata e puntiforme, ad esempio una ciminiera, è possibile determinare le relazioni tra i fattori meteorologici locali e i processi di diffusione degli inquinanti.

La dispersione dei prodotti emessi da una ciminiera dipende principalmente dalla velocità e dalla turbolenza del vento, ma anche da aspetti legati al gradiente termico dell'aria.

Il vento trasporta le molecole di gas o le particelle in espansione separandole in senso longitudinale. La turbolenza meccanica contribuisce invece alla diluizione laterale o verticale, rimescolando il pennacchio con l'aria circostante. La stratificazione termica, infine, può contribuire ad amplificare, o smorzare e in alcuni casi anche a bloccare la dispersione della nuvola di gas.

I gas di combustione escono dalla ciminiera ad una certa velocità e ad una temperatura più elevata di quella dell'aria circostante e pertanto tendono ad innalzarsi nell'atmosfera, per poi piegare nella direzione del vento, man mano che il rimescolamento con l'aria circostante ne diminuisce la temperatura.

Quando i gas saranno in equilibrio termico con l'aria circostante, il pennacchio risulterà completamente livellato e seguirà i moti dell'aria, tranne le particelle di grosse dimensioni che precipitano, durante il trasporto, per effetto gravitazionale. La quota di livellamento di un pennacchio è detta altezza effettiva del camino.

Volendo schematizzare il comportamento del pennacchio in relazione alle condizioni microclimatiche del luogo in cui avviene l'emissione, si può fare riferimento ad alcune situazioni caratteristiche:

• con gradiente termico super-adiabatico (atmosfera instabile), il pennacchio assume una

forma irregolare e i c riponenti dei gas di combustione vengono. dispersi in senso verticale a

causa dei moti convettivi;

• con gradiente adiabatico o lievemente sub-adiabatico (atmosfera indifferente), il pennacchio

assume una forma conica pressoché regolare;

• con gradiente nettamente sub-adiabatico o positivo (atmosfera stabile), nel pennacchio, per

assenza di vortici, si instaurano moti di tipo laminari, in assenza di vento i gas di

combustione ed il particolato solido si distribuiscono in maniera uniforme all'intorno del

punto di emissione. In presenza di vento si forma un pennacchio orizzontale, che raggiunge

il suolo a distanza notevolmente grande.

Situazioni diverse si possono poi verificare in presenza di fenomeni di inversione termica, in relazione alla quota di localizzazione dello strato di inversione e dell'altezza effettiva del camino. Sono qui di seguito descritti tre casi rappresentativi di condizioni