Il ruolo dei parametri termoigrometrici

In diversi ambiti, da quello ambientale a quello ingegneristico, è ormai prassi definire condizioni di benessere e/o ottimali in termini di intervalli di temperatura e umidità. In particolare nel campo dei beni culturali, il raggiungimento e la persistenza di valori di

temperatura e umidità che si discostano dall’intervallo ottimale per il singolo oggetto o materiale producono danni sul lungo periodo. Tuttavia, come anticipato in precedenza, è fondamentale tener presente che brusche variazioni o fluttuazioni di breve periodo, nell’ordine di giorni se non delle ore, possono indurre variazioni, anche irreversibili. Partendo dal presupposto che qualsiasi oggetto si adatti all’ambiente circostante entrando con esso in equilibrio, il rischio maggiore per la conservazione deriva proprio dall’entità e dalla velocità dello spostamento da tale equilibrio, quindi dai gradienti spaziali e temporali dei parametri ambientali, accentuando e/o accelerando i processi di deterioramento in atto. Da quanto scritto finora si evince che un ruolo fondamentale nell’analisi del microclima per la conservazione dei beni culturali è svolto dai parametri termoigrometrici, ossia:

 Temperatura  Umidità

Uno dei primissimi studi effettuati in quest’ambito, alla fine degli anni ’80, in Italia, monitorava le condizioni ambientali della Cappella Sistina analizzandone l’evoluzione in diversi momenti significativi della giornata (Camuffo e Bernardi, 1986).

Rimandando la scelta dei campi di benessere ai diversi standard esistenti, è comunque buona norma tener presente alcuni principi fondamentali che mettono in relazione il degrado con i parametri termoigrometrici (Aghemo et al., 1996):

 Basse temperature di per sé non sono dannose per gli oggetti, mentre le alte possono esserlo favorendo processi degenerativi di carattere chimico;

 Variazioni temporali di temperatura dell’aria possono indurre nell’oggetto a contatto uno stress termico, provocando fenomeni di dilatazione e/o contrazione, la cui intensità varia a seconda dei materiali che lo compongono;

 L’umidità relativa influenza le variazioni di dimensione e di forma degli oggetti ed i processi chimici e biologici.

 Spesso i fenomeni risultanti possono essere visibili nell’immediato o solo successivamente per gli effetti riscontrati, identificabili come danni spesso non reversibili.

In tabella 1-2 sono riportate alcune categorie di oggetti e materiali raggruppati per classe di sensibilità in funzione dei parametri termoigrometrici:

Tabella 1-2 : sensibilità all’umidità relativa e alla temperatura di alcuni materiali costituenti oggetti museali. Da (Aghemo et al., 1996), modificata riportando alcune categorie di interesse.

Parametro Oggetto/Materiale Livello di

sensibilità

Umidità relativa

Mobili intarsiati, dorati o laccati, strumenti musicali in legno, pitture su pannelli o sculture in legno, manoscritti illuminati (carta e pergamena),

gessi.

Estremo alle variazioni di umidità relativa

Tessili e costumi, pitture a olio su tela, opere d’arte e documenti su carta e pergamena, materiale di origine vegetale (corteccia, erba, papiro), oggetti in legno policromo, mobili in

legno, oggetti ed abiti in cuoio e in pelle.

Necessitano di condizioni di umidità relativa

moderatamente stabili

Pietra, marmo, ceramica, vetro stabile, leghe d’argento e d’oro.

Relativamente insensibili alle variazioni di umidità relativa Ferro, acciaio, ottone, bronzo, rame e le sue

leghe, bronzi archeologici, tessili con elementi metallici, reperti mummificati.

Necessitano di bassissimi valori di

umidità relativa

Temperatura

dell’aria Pellicce, pelli animali, reperti animali.

Necessitano di bassi valori di temperatura

dell’aria

In conclusione, i parametri termoigrometrici risultano essere in stretta sinergia nella possibile minaccia all’integrità di un oggetto. Senza dubbio però, bisogna evidenziare che l’entità di un deterioramento indotto da un singolo o dalla combinazione di più parametri dipende soprattutto dalla natura dei materiali, dalla forma, dalla geometria e dalla “magnitudo del fattore di danno”27 _{(concentrazione contaminante o scostamento dai valori} ottimali di umidità e temperatura). Solitamente, è difficile attribuire le cause di un danno ad uno solo di questi parametri ma, può risultare utile per la trattazione del problema, analizzarli singolarmente.

27 _{Il concetto di “magnitudo del danno” è riportato in maniera più dettagliata nel paragrafo 1.1.1 – Definizione} generale di rischio.

1.4.1.1 Temperatura

Qualsiasi oggetto immerso in un ambiente più ampio a temperatura diversa tenderà a portarsi in equilibrio termico con esso, cedendo o assorbendo calore28_{. Il trasferimento di calore può} avvenire secondo tre meccanismi fisici: conduzione, convezione ed irraggiamento29_.

In generale, il flusso di calore 𝐻 da e verso la superficie di un corpo è funzione del gradiente di temperatura fra il corpo in esame e l’ambiente circostante e può essere espresso come:

𝐻 = −𝐾𝐻 𝛿𝑇 𝛿𝑛 Dove: 𝐻 è il flusso di calore [J m-2 _s-1_] 𝛿𝑇

𝛿𝑛 è il gradiente di temperatura lungo la normale alla superficie [K m-1]

𝐾_𝐻 è il coefficiente di scambio lungo la direzione normale, dipendente dai meccanismi fisici di trasporto e da condizioni di regime laminare o turbolento [m2 _s-2_].

I gradienti termici condizionano i fenomeni di trasporto di fluidi ed energia termica tra oggetto e ambiente, provocando, oltre ai già citati fenomeni di dilatazione/contrazione anche fenomeni di evaporazione/condensazione, migrazione di acqua e sali, trasporto e deposito di inquinanti aerodispersi.

La minaccia maggiore risiede in variazioni di temperatura caratterizzati da magnitudo e cinetica elevati, al punto da poter essere la causa di tensionamenti e microfatture, che diventano punto di concentrazione di tensioni meccaniche e vie preferenziali per un’eventuale penetrazione di acqua e sali solubili. A tal proposito, risultano essere particolarmente esposti a rischio gli oggetti costituiti da materiali con diverso coefficiente di dilatazione termica, che possono riportare fratture in corrispondenza delle interfacce di connessione.

28 _{Il fondamento su cui si costruisce il concetto di temperatura è il cosiddetto ‘principio zero della} termodinamica’, enunciato normalmente così: se ciascuno di due sistemi A e B è in equilibrio termico con un terzo sistema C, allora A e B sono in equilibrio termico tra loro.

1.4.1.2 Umidità

Nell’ambiente possono verificarsi piccole variazioni di vapore o di temperatura, ma se si vuole mantenere costante l’umidità relativa (UR o Relative Humidity, RH), come è auspicabile, le variazioni di entrambi i parametri dovrebbero avvenire in modo tale da compensarsi l’una con l’altra.

Analogamente al flusso di calore, anche il flusso di vapore 𝑀_𝑣 dipende dal gradiente di concentrazione di vapore in aria ed equivale a:

𝑀𝑣 = −𝜌𝐾𝑤 𝛿𝑀𝑅 𝛿𝑛 Dove: 𝑀𝑣 è il flusso di vapore [g cm-2 s-1] 𝜌 è la densità dell’aria [g m-3_]

𝐾_𝑤 è il coefficiente di diffusione del vapore lungo la direzione normale alla superficie 𝑛 [cm2 s-1]

𝛿𝑀𝑅

𝛿𝑛 è il gradiente del Mixing Ratio ovvero del rapporto di mescolanza

30 _[cm-1_]

Il valore di 𝐾𝑤 non è costante in aria; si assumono generalmente, infatti, sia il valore della

diffusività molecolare del vapore in aria calma sia quello della diffusività del moto turbolento, in aria.

Gli effetti di questa variabile, come già accennato, si riscontrano soprattutto nella variazione di dimensione e di forma degli oggetti, oltre che nelle dinamiche dei processi chimici e biologici. La carta è un materiale in grado di assorbire l’acqua e si gonfia quando l’umidità relativa cresce e si restringe quando diminuisce. In generale:

 Valori di 𝑅𝐻 > 45% favoriscono le reazioni chimiche (corrosione metalli, scolorimento tinture e indebolimento delle fibre organiche come la carta).

 Valori di 𝑅𝐻 > 65%, in sinergia con valori di temperatura superiori ai 20 °C, promuovono il proliferarsi di processi biologici.

Ad esempio, la variazione dimensionale della pergamena può raggiungere anche il 3-4% passando da valori molto bassi di UR (15-20%) a valori molto elevati (85-90%) (Tanasi, 2002).

30 _{Il Mixing ratio è il dato dal rapporto tra la massa di vapore acqueo e la massa d’aria secca contenuta in una} massa di area umida. Essendo generalmente bassa la massa di vapore contenuta nell’atmosfera di solito si esprime in g/kg.

Tabella 1-3: condizioni termoigrometriche consigliate per determinate categorie merceologiche. Da (Aghemo et al., 1996), modificata.

Schede relative alle condizioni termoigrometriche Riferimenti bibliografici Temperatura

(°C)

Umidità Relativa (RH) (%)

Carta, cartapesta, lavori artistici in carta, collezioni filateliche, manoscritti, papiri, stampe31 (AAM, 1977) 45 ÷ 60 (ASHRAE, 1971) 21 ÷ 22 45 (Bachmann, 1975) 55 ÷ 65 (Beaumont, 1983) 19 ÷ 24 35 ÷ 50 (Brawne, 1983) 45 ÷ 50 (Cook, 1973) 20 ± 2 al giorno 45 ÷ 55 (Dassu, 1988) 50 ÷ 65 (De Guichen, 1984) 50 ÷ 65 (ERCO, 1985) 19 ÷ 24 50 ± 2 al giorno (Gambalunga, 1989) 50 ÷ 65 (ICC/CCI, 1986) 20 ÷ 25 (estate) 15 ÷ 20 (inverno) 50 (ICCROM, 1983) 50 ÷ 65 (UNESCO, 1984) 55 ÷ 65 (Zappalà, 1990) 18 ÷ 20 40 ÷ 50

Documenti e materiale di archivio32

(BSI, 1977) 13 ÷ 18 55 ÷ 65

(Cook, 1973) 20 ± 2 al giorno 45 ÷ 55

(Flieder e Duchenein,

1985) 18 ± 1 al giorno 55 ± 5 al giorno

(Thompson, 1992) 13 ÷ 18 50 ÷ 65

Libri preziosi, libri rilegati in pelle, rilegature in pelle, pergamena, miniature33

(AAM, 1977) 55 (ASHRAE, 1971) 12.8 ÷ 18.3 35 (Bachmann, 1975) 55 ÷ 65 (Beaumont, 1983) 19 ÷ 24 35 ÷ 50 (Cook, 1973) 20 ± 2 al giorno 45 ÷ 55 (Gambalunga, 1989) 50 ÷ 65 (ICC/CCI, 1986) 20 ÷ 25 (estate) 15 ÷ 20 (inverno) 50

31 _{Il valore più frequente tra i lavori considerati, relativamente a questa tipologia di manufatti, è il 50% di} Relative Humidity (Aghemo et al., 1996).

32 _{Il valore più frequente tra i lavori considerati, relativamente a questa tipologia di manufatti, è il 55% di} Relative Humidity (Aghemo et al., 1996).

33 _{Il valore più frequente tra i lavori considerati, relativamente a questa tipologia di manufatti, è il 55% di} Relative Humidity (Aghemo et al., 1996).

(ICCROM, 1983) 50 ÷ 65

(Thompson, 1992) 13 ÷ 18 55 ÷ 65

(UNESCO, 1984) 55 ÷ 65