Scuola di dottorato in Scienze e Tecnologie
Ciclo XXII
(A.A. 2011 - 2012)
Inquinamento atmosferico In Cina analisi della
Qualità dell’aria e composizione chimica del
particolato nella Città di Shanghai
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE DI AFFERENZA
: CHIM/12
Tesi di dottorato di Francesco Petracchini, matricola 955531
Coordinatore del Dottorato
Tutore del dottorando
A Elettra
indice
1 Introduzione ... 5 2 obiettivo dello studio ... 5 3 La Cina ... 6 3.1 Sistema di produzione di Energia primaria ... 7 3.2 Le Emissioni nazionali i gas serra e di gas inquinanti ... 8 3.3 La normativa nazionale sull’inquinamento atmosferico ... 9 3.3.1 Impostazione generale ... 9 4 Inquinamento atmosferico in Cina ... 11 5 Inquinamento atmosferico e composizione chimica del particolato ... 13 5.1 Suddivisione dimensionale del particolato... 13 5.2 Il particolato: fonti emissive e composizione chimica ... 14 5.2.1 Fonti naturali ... 15 5.2.2 Fonti antropogeniche ... 16 5.3 Metodologie di misura del particolato atmosferico ... 16 5.4 Impatti sanitari del particolato atmosferico ... 18 5.5 Emissione del particolato dai cantieri civili ... 20 5.6 Fattori di emissione del particolato e parametri da considerare ... 22 6 Shanghai ... 23 6.1 Breve introduzione storica ... 23 6.2 Crescita economica e demografica... 23 6.3 La produzione di energia nella città di Shanghai ... 24 6.4 Il sistema di trasporto nella città di Shanghai ... 25 6.5 Inventario delle emissioni della città di Shanghai ... 28 6.6 Sistema di Monitoraggio della qualità dell’aria in Shanghai ... 30 6.7 Qualità dell’aria nella città di Shanghai ... 30 6.7.1 Composizione chimica del particolato atmosferico in Shanghai (dati di letteratura) ... 32 7 Attività di misura eseguite in Cina ... 377.1 Il programma di cooperazione bilaterale fra il Ministero dell’Ambiente Italiano e il Ministero dell’Ambiente Cinese. ... 37 7.2 Il CNR IIA e il programma di cooperazione Italia‐Cina ... 38 7.2.1 Il CNR‐IIA ... 38 7.2.2 Programma di cooperazione ambientale Italia‐Cina ... 39 7.2.3 Attività di misura eseguite a Shanghai: il progetto APEM ... 39 8 Analisi chimica del particolato in Shanghai ... 41 8.1 Introduzione ... 41 8.2 Materiali e Metodi ... 44 8.2.1 Metodologia per la determinazione della composizione chimica del particolato PM10 ... 44 8.2.2 Analisi in fluorescenza a raggi X ... 47 8.2.3 Cromatografia Ionica ... 48 8.2.4 Analisi termo ottica ... 50 8.3 Integrazione con i dati delle stazioni di monitoraggio EMC ... 52 8.4 Risultati ... 56 8.4.1 Analisi dei dati meterologici ... 56 8.4.2 Andamento del PM10 e degli altri inquinanti misurate nelle stazioni EMC ... 58 8.5 Composizione chimica del particolato PM10 ... 63 8.6 Analisi dei dati misurati e comparazione con i dati dalle stazione di monitoraggio ... 72 8.6.1 Analisi statistica dei dati di composizione chimica del PM10 ... 72
8.6.2 Comparazione della chimica del PM10 con i dati dalle stazioni di riferimento ... 77 8.6.3 Stima delle fonti di emissioni del PM10 ... 85 8.7 Risultati delle analisi e valutazioni sullo studio realizzato ... 90 9 Stima del fattore di emissione di particolato PM10 da parte dei cantieri in Shanghai ... 91 9.1 Introduzione ... 91 9.2 Materiali e Metodi ... 92 9.2.1 Strumentazione di misura ... 92 9.3 Metodologia di studio utilizzata ... 98
9.3.1 Stima del fattore di emissione di cantiere come differenza fra le condizioni sopra e sottovento ... 98 9.3.2 Stima del fattore di emissione del cantiere come sovrapposizione di fattori di emissione noti (US EPA, AP‐42) ... 99 9.4 Risultati ... 104 9.4.1 I dati collezionati ... 104 9.4.2 Metodo con il calcolo empirico del fattore areale ... 104 9.4.3 Metodo US EPA AP‐42 ... 104 9.4.4 Analisi dei risultati ... 105 10 Analisi conclusive ... 109 11 Ringraziamenti ... 110 12 Riferimenti bibliografici ... 111 13 ALLEGATO 1: Analisi chimica del particolato ... 117 13.1 Dati dalle campagne di monitoraggio in Shanghai (Luglio 2007) ... 117 13.2 Dati dalle stazioni di monitoraggio in Shanghai (Luglio 2007) ... 121 13.3 Stazione People Square: Andamento delle condizioni meterologiche e del PM10 per ogni giorno della campagna di misura ... 127 13.4 Composizione chimica del PM10 nei vari siti (diagrammi a torta: percentuali delle varie specie) 133 13.5 Analisi statistiche fra le concentrazioni rilevate nei filtri di PM10 e i dati dalle stazioni di monitoraggio ... 154
13.5.1 Confronto fra i dati delle stazioni di monitoraggio e quelli rilevati nel corso delle campagne di misura 159 14 ALLEGATO 2: Stima di un fattore di emissione del particolato PM10 da un cantiere nella città di Shanghai ... 162 14.1.1 Dati collezionati ... 162 14.1.2 Risultato analisi laboratorio polvere depositata in cantiere ... 167 14.1.3 Fotogrammi riprese da cantiere ... 170
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NTRODUZIONELa Cina è un’economia mondiale in grande crescita. Il passaggio ad un’economia di mercato con una crescita caratterizzata da un PIL due cifre ha portato un certo benessere diffuso e un’aspettativa di vita migliore per milioni di cinesi, tuttavia questa crescita ha implicato un peggioramento delle condizioni ambientali e un conseguente incremento delle malattie cui la popolazione cinese è soggetta a causa dell’inquinamento diffuso. Le città cinesi sono cresciute in popolazione e in area occupata ad un ritmo incredibile negli ultimi anni; il traffico privato e le emissioni industriali rappresentano una fonte di emissione di inquinamento cui tutti gli abitanti sono soggetti. Il miglioramento di queste condizioni rappresenta per la Cina una scommessa importantissima che il Governo Centrale intende perseguire; la difficoltà di questa missione che vuole combinare una crescita economica senza freni e un ambiente sano è fondamentale per il futuro della Cina e anche per il mondo intero.
La svolta verso la green economy è stata in parte già stata intrapresa dalla Cina che sta facendo, in questo settore, più della maggior parte delle economie di vecchia industrializzazione. Nel suo ultimo piano quinquennale il paese si è dato l'obiettivo di ridurre del 17% entro il 2015 la propria intensità di carbonio (secondo quanto annunciato a Cancun la riduzione dovrebbe arrivare al 40‐45% entro il 2020). Diverse solo le modalità con cui la Cina intende raggiungere tali obiettivi: tassazione delle fonti fossili promozione dell'auto elettrica, un meccanismo di emission trading regionale (ancora all'orizzonte) e incentivi a sostegno delle rinnovabili e relative filiere. L'introduzione di nuove tariffe feed‐in per il fotovoltaico, ad esempio, sta facendo crescere molto il mercato interno e, sempre nell'ultimo piano quinquennale è stata annunciata l'intenzione di installare nel 235 GW di potenza elettrica da fonti non fossili.
Il problema è che le misure verdi di Pechino non sono sufficienti a compensare i danni ambientali perché la crescita economica del paese è troppo veloce, infatti anche se probabilmente il paese ce la farà a mantenere l'impegno sull'intensità di carbonio, le emissioni totali crescono più veloci del previsto di almeno un miliardo di tonnellate di CO2 all'anno. Assieme alle emissioni crescono quindi anche gli altri costi ambientali e sanitari che la Cina deve sostenere, pertanto sarà necessario un maggiore sforzo politico‐ economico per trasformare Il dragone rosso in dragone verde.
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OBIETTIVO DELLO STUDIOIl lavoro in oggetto ha come scopo l’analisi della condizione di inquinamento atmosferico nelle principali città della Cina e dell’evoluzione della concentrazione dei principali inquinanti nel corso degli anni. Nell’ambito di questa ricerca è stato anche analizzato l’approccio normativo del Governo Cinese riguardo l’inquinamento atmosferico e i possibili sviluppi al fine di migliorarne l’applicabilità ed efficacia.
Un focus particolare nel presente lavoro è stato eseguito per la città di Shanghai. Si riportano infatti indicazioni circa l’evoluzione dello sviluppo della città e la situazione relativa ai livelli di inquinamento atmosferico. Inoltre nell’ambito delle attività del CNR‐IIA (Istituto sull’inquinamento atmosferico) in Cina, ed in particolare nella città si Shanghai sono state quindi eseguite analisi chimiche sui filtri campionati on particolare sono stati collezionati dati Di PM10 presso diversi punti della città di Shanghai (stazione di traffico, di fondo urbano, di background e in prossimità del sito di costruzione). I risultati sono stati quindi confrontati con altri studi già presenti nella città di Shanghai e redatti da Università locali. I risultati ottenuti hanno indicato la forte influenza del contributo dai parte dei cantieri di costruzione presenti nella città. In conclusione delle attività di misura è stato inoltre stimato attraverso un metodo sperimentale l’ impatto in termini di emissione di PM10 di un sito di costruzione nella città di Shanghai. Si è tentato infatti di determinare un fattore di emissione areale utilizzabile per studi successivi al fine di simulare l’impatto sulla concentrazione complessiva di PM10 dei cantieri in costruzione nella città di Shanghai. Tale metodo ha visto l’utilizzo di misure sperimentali e di un modello di dispersione atmosferica di tipo Gaussiano.
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AC
INALa Cina è localizzata nella parte est dell’Asia e nella parte Ovest del Pacifico. Il territorio della Cina è di circa 9.6 milioni di chilometri quadrati e la sua area di territorio marino è di 4.73 chilometri quadrati. I confini con gli atri stati si sviluppano per circa 32.000 chilometri (includendo i 18.000 di costa). Nel 2004 la popolazione della Cina ha raggiunto quota 1.3 miliardi (escludendo Hong Kong, Macao e Taiwan), la percentuale di popolazione urbana e di quella rurale è rispettivamente 41.8% e 58.2%.
La popolazione della Cina è di circa 1,3 miliardi di persone ‐ il 20% del totale mondiale – tale popolazione è più che raddoppiata negli ultimi cinquant'anni. Tuttavia il tasso di crescita della popolazione è scesa dal 2‐ 3% all'anno tra il 1950 alla metà nel 1970 e a meno dell'1% annuo negli ultimi anni. Ciò è connesso a una riduzione del tasso di natalità, grazie a politiche quali quella del figlio unico. La Cina si sta trasformando in un paese sempre più urbano. Dal 1952 al 2003, mentre la sua popolazione totale è raddoppiata, la sua popolazione urbana è triplicata, in particolare è passata dal 13% al 39%; quindi la popolazione urbana è aumentata di sette volte fino a raggiungere il numero di mezzo miliardo. Il numero delle città è quadruplicato a oltre 660 (tra cui oltre 170 con almeno un milione di abitanti), e le zone della città esistenti è cresciuto enormemente.
Figura 1 Le Province della Cina e Shanghai
Negli ultimi vent’anni la Repubblica popolare cinese ha avuto un tasso medio annuo di crescita del PIL superiore all'8%, diventando la settima economia più grande al mondo e, secondo la Banca mondiale, potrebbe superare quella americana entro il 2020. L’aspetto veramente sorprendente di questa crescita sta nel fatto che il paese è riuscito a mantenere ritmi sostenuti per un arco di tempo molto lungo (oltre vent'anni) e nonostante una popolazione estremamente numerosa.
3.1 Sistema di produzione di Energia primaria
La Potenza complessiva installata in Cina ha raggiunto la capacità di 440 GW alla fine del 2004 con la complessiva capacità di produzione di 2.187 trilioni di WH, rendendola seconda al mondo solo agli USA. Secondo vari rapporti pubblicati dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (2001) la Cina ha rappresentato il 9,8% del consumo mondiale di energia con un trend crescente di produzione di energia a partire dal 1989 (figure 2 e 3). Entro il 2025, le proiezioni indicano che la Cina sarà responsabile di circa il 14,2% del consumo mondiale di energia. Dei 40 quadrilioni di Btu di energia primaria totale consumata in Cina nel 2001, il 74% è il carbone, il 15% è stato l'olio, il 7% energia idroelettrica, e il 4% del gas naturale (figura 2). Mentre il consumo residenziale ha aumentato la sua quota di domanda energetica della Cina nel corso dell'ultimo decennio, il più grande incremento assoluto di consumo di energia è dovuto al settore industriale. Figura 2 Produzione di energia elettrica in Cina: le diverse fonti : fonte IEA Figura 3 Suddivisione del consumo di energia in Cina per fonte (IEA 2008) La disponibilità di energia per la Cina è un fattore necessario per lo sviluppo; allo stato attuale la Cina è il secondo consumatore al mondo di energia dopo gli Stati Uniti . Se si considera l’uso pro capite di energia nel 2001 il valore risulta solo un nono rispetto a quello degli Stati Uniti, e la metà della media mondiale. La Cina risulta ottava nella classifica riportata nella tabella 1 fra i paesi considerati nell’analisi (20). Attualmente la Cina è il più grande consumatore di carbone la Cina usa un quarto delle riserve di carbone del mondo e al momento la sua dipendenza è di circa due terzi rispetto alla produzione di energia
complessiva. Il consumo di carbone è diminuito dal 1950 ed ha ripreso a crescere dal 2001 insieme alle altri fonti di produzione di energia (figura 4).
La Cina in merito alla generazione di energia da fonti rinnovabili ha adottato un’importante politica di sviluppo nell’ambito dell’11° Piano Quinquennale. Infatti notevoli sono gli investimenti previsti e già realizzati per lo sviluppo di impianti idroelettrici (sono previsti per anno 3.000 nuovi Mw ed è in completamento la diga delle tre Gole che da sola conta per 19 Mw), solari, ed eolici e di gas naturale, di biomassa combustibile e di metano . Per la generazione di energia elettrica della Cina, le fonti rinnovabili di energia (idroelettrico compreso) hanno rappresentato il 18,6% nel 2000. Il gas naturale rappresenta solo il 4% della Cina, il consumo di energia ad oggi, ma il suo utilizzo può aumentare attraverso un aumento di produzione dalle riserve nazionali (53,3 miliardi di metri cubi all'inizio del 2004), e attraverso le importazioni, a mezzo di condutture e in forma di gas naturale liquefatto (GNL).
3.2 Le Emissioni nazionali i gas serra e di gas inquinanti
Nel 2007 la Cina ha superato gli USA come prima Stato sull’emissione (in termini assoluti) di CO2. La Cina è uno fra gli Stati (insieme agli Stati Uniti) che non hanno ratificato il trattato di Kyoto nell’ambito della Convenzione per il Cambiamento Climatico (19) (figura 4).
Tuttavia a causa delle notevoli pressioni sia sulla struttura dell’attuale sistema di produzione energetico, sia sui conseguenti impatti sulla salute umana, il Governo Centrale cinese ha adottato una serie di direttive atte a migliorare la qualità del sistema energetico differenziandone le fonti di produzione. Nel giugno del 2007 la Cina ha emesso il primo Piano Nazionale per il programma sul cambiamento climatico. Tale piano promette di migliore l’efficienza energetica e di espandere la fornitura di energia a basso contenuto di carbonio, ma rigetta ogni vincolo circa un tetto alle emissioni di CO2. Figura 4 Andamento delle emissioni assolute di CO2 in China rispetto a quelle degli USA in milioni di Tonnellate (fonte IEA Word Energy outlook 2007) La Cina è caratterizzata da un tasso di crescita della flotta dei veicoli, nelle maggiori città superiore al 20%; per questo motivo il contributo all’inquinamento da parte del traffico priva diventa sempre più importante. L’Agenzia Nazionale per la Protezione dell’Ambiente (SEPA) ha identificato le emissioni da parte dei veicoli come la principale fonte di inquinamento nelle città. Nel 2004 si è stimato che il traffico su strada contribuisce a più del 50% degli ossidi di azoto emessi nelle maggiori città cinesi (basti pensare che nella sola città di Pechino il numero delle macchine nell’ultima decade è triplicato con più di 1000 nuovi veicoli che vengono immatricolati ogni giorno). Come risultato è diventato sempre più importante per le agenzie di protezione ambientale locali, gestire la problematica del traffico attraverso dei piani volti ad incentivare il
trasporto pubblico e a imporre costi elevati per l’ottenimento delle targhe valide per la circolazione nelle varie province (28).
3.3 La normativa nazionale sull’inquinamento atmosferico
3.3.1 Impostazione generale
L’impianto normativo cinese relativo all’inquinamento atmosferico è diverso rispetto a quello adottato in altri parti del mondo (eccezion fatta per l’India), perché i limiti variano in relazione al tipo di localizzazione dove sono applicati: in particolare si differenzia in sito turistico, storico e area di conservazione (Classe I), in sito residenziale urbano o area rurale (Classe II), oppure industriale o area altamente trafficata.La Cina ha adottato il Piano Nazionale per l’inquinamento atmosferico nel 1996. Questa legislazione introduce dei limiti per il biossido di zolfo (SO2) per il monossido di carbonio (CO) per il PM10, per il biossido di azoto
I valori indicati nelle tabelle 1 e 2 permettono una più facile comparazione dei limiti cinesi con quelli di altri stati del mondo. I limiti fissati in Cina per le classi I e II appaiono simili a quelli indicati nella normativa europea ed americana eccezion fatta per il limite giornaliero ed annuale di PM10. Si deve inoltre considerare che i superamenti dei limiti fissati dalla Commissione Europea per l’NO2 e per il PM10 risultano consentiti ma solo per un certo numero per anno, per cui solo apparentemente i limiti europei risultano meno stringenti.
Per alcuni inquinanti (NO2) i limiti cinesi risultano anche più stringenti di quelli di EU e USA. Per il PM10 come detto al contrario i limiti sono inferiori e nelle zone classificate come industriali sono consentiti limiti 10 volte superiori a quelli fissati dal WHO.
Tabella 2 Limiti normativi sull’inquinamento atmosferico nel mondo Allo scopo di informare la popolazione circa il livello degli inquinanti in aria è stato adottato similmente a quanto fatto in America con l’indice AQI (Air Quality Index) un indice denominato API (tabella 3). Sebbene l’obiettivo sia lo stesso di quello dell’ US‐EPA gli indici differiscono per alcuni aspetti interessanti. In prima istanza l’indice AQI è basato sul valore più alto degli inquinanti considerati l’indice API invece è ottenuto da una media dei valori considerati: tale approccio evidentemente riduce il livello dei massimi e quindi anche il valore dello stesso API (tabella 4). L’indice API attualmente si calcola per tre inquinanti SO2, NO2, PM10. Tabella 3 API index e relativi effetti sulla salute umana Tabella 4 API e valore di concentrazione degli inquinanti
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NQUINAMENTO ATMOSFERICO INC
INAL’inquinamento della qualità dell’aria è uno dei maggiori problemi che riguardano l’ambiente che la Cina deve affrontare. I risultati dei monitoraggio su 360 città nel 2004 hanno rivelato che l’aria nel 70% dei casi non raggiunge gli standard richiesti a livello governativo. Almeno il 75% dei residenti delle città è esposto a livello di inquinanti che sono considerati eccessive per le aree abitate dalla stessa legislazione cinese. La Cina ha alti livelli di concentrazione di SO2, particolato, ossidi di azoto, composti organici volatili e Ozono In riferimento alle polveri totali (TSP) sono state misurate nel corso di molti anni e i dati hanno rilevato livelli preoccupanti in molte città cinesi. I valori di TSP in 67 città (72% di quelle analizzate) superano i livelli di Grade II (200 μr/m3). Confrontano i dati a livello geografico si vede che i valori rilevati nelle zone a Nord risultano peggiori delle zone del Sud della Cina.
Secondo quanto indicato dalla normativa nazionale, le municipalità cinesi (cui è demandato il controllo e la gestione di tematiche inerenti l’ambiente) devono procedere alla pubblicazione di un indice di inquinamento (API: Air Pollution Index) che dovrebbe essere rappresentativo delle condizioni di inquinamento atmosferico giornaliero. In genere le misurazioni sono eseguite per l’NOx, SO2 e PM10, e in
certi casi (molto rari) anche per il CO e L’Ozono. L’ API è un indice sintetico della qualità dell’aria (valore compreso fra 0 e 500) che viene riferito a tutti e tre gli inquinanti. Riferendosi a cifre ufficiali pubblicate nel 2006 dal Ministero dell’Ambiente Cinese (tabella 8), considerando 519 città, circa il 4 % del totale delle città monitorate ha raggiunto il Livello I (stato della qualità dell’aria: eccellente),; il 58,1% ha raggiunto il Livello II (Livello della qualità dell’aria: Buono), il 21,8% sono state classificate secondo il livello III (leggermente inquinate) ; e l’1,4% ha raggiunto livelli superiori al livello IV(Moderato‐Altamente inquinato) Considerando 113 principali città cinesi, il 57,5 % di questi hanno avuto livelli di inquinamento pari al livello II (Livello della qualità dell’aria: Buono), 48,7% del totalehanno riscontrato concentrazioni pari al livello III (leggermente inquinati), ; e solo il 7,1% hanno raggiunto il livello maggiore (tabella5). Tabella 5 Stato della qualità dell’aria delle principali città in Cina secondo il Ministero dell’Ambiente cinese I dati collezionati per le principali città di riferimento sono stati riportati nelle figure 5 e 6. Considerando il PM10 nel periodo 2001‐2006 i valori di concentrazioni rimangono stabili in Hong Kong, Shanghai e Pechino, Tianjin ha indicato una rapido decremento della concentrazione degli inquinanti fino al 2005. Comparando i dati di PM10 delle diverse città si evidenzia che Hong Kong è al di sotto della classe II, Shanghai, Urumqi e Tianjin sono comprese fra le classi II e III, Pechino e Langhzou sono al di sopra della classe III. In riferimento al NO2 I dati collezionati indicano valori per le città considerate comprese fra le classe I e II.
Figura 5 Andamento delle concentrazioni di PM10 in alcune città cinesi (dati vari raccolti da report SEPA)
Figura 6 Andamento delle concentrazioni di NO2 in alcune città cinesi (dati vari raccolti da report SEPA)
A causa del rapido sviluppo economico e dell’incremento delle aree urbane lo stato dell’inquinamento atmosferico si è spostato dalla scala locale a quella regione in certe “macro regioni” cinesi. Per esempio nell’area Beijing‐Tianjin in quella del delta del fiume Pearl si assiste spesso alla presenza di una coltre di masse di aria inquinate che sono nocive alla salute umana e alle condizioni degli ecosistemi (22) (figura 7).
Figura 7 numero dei giorni con scarsa visibilità nel corso degli anni in alcune città cinesi (EPA Hong Kong report)
Recentemente i fenomeni di “cielo grigio” hanno impressionato molto la popolazione cinese. Recenti ricerche hanno mostrato che alti livelli di concentrazioni di particolato fine (es. PM 2.5) contribuiscono in maniera importante ai fenomeni di scarsa visibilità e di trasporto di inquinanti di tipo regionale. Gli alti livelli di concentrazione di particolato PM2.5 sono probabilmente dovuti a fenomeno di produzione di particolato di origine secondario a seguito di reazioni chimiche in atmosfera (altro esempio è la formazione di ozono a seguito di reazione fra composti organici volati ossidi di azoto con il supporto delle radiazioni solari).
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NQUINAMENTO ATMOSFERICO E COMPOSIZIONE CHIMICA DEL PARTICOLATOCon il termine particolato atmosferico ci si riferisce in generale alle particelle solide e liquide che sono disperse nell’aria. Come prima definizione si possono distinguere fra le particelle di origine primaria e quelle di origine secondaria in riferimento al loro meccanismo di formazione. In particolare mentre le prime sono emesse direttamente, le seconde sono formate dai gas precursori attraverso la conversione gas‐ particelle. Entrambi le specie di particelle sono soggette a fenomeni di crescita e trasformazione dal momento della loro formazione.
Secondariamente le particelle possono essere classificate in relazione alla loro dimensione. L’intervallo di misura è compreso fra pochi nanometri (nm) e circa decine di micrometri (μm). La dimensione è un parametro importante per determinare le proprietà delle particelle e ha implicazioni circa la formazione, le proprietà fisiche e chimiche, i meccanismi di trasformazione trasporto e rimozione nell’atmosfera. Le particelle con dimensione maggiori di 2.5 mm in diametro sono generalmente denominate corse, particelle con diametro inferiori rispettivamente a 2.5 μm e 100 nm sono dette fini ed ultrafini.
I fattori che comportano l’accumulo degli inquinanti e quelli che invece ne favoriscono la dispersione sono alla base della variazione spaziale della concentrazione degli inquinanti. Come primo la concentrazione e le caratteristiche del materiale particolare dipende dalla tipologia delle sorgenti emissive. Una volta formate le particelle variano in dimensione e composizione attraverso fenomeni quali: condensazione, evaporazione, coagulazione con altre particelle o anche attraverso reazioni chimiche. I fattori meteorologici quali direzione e velocità del vento, la temperatura, le precipitazioni e l’altezza del PBL sono quelli più importanti che e governano le variazioni. Maggiori concentrazioni di particolato si rilevano durante condizioni di stabilità atmosferica quando si hanno anche fenomeni di inversione termica con basse velocità del vento.
5.1 Suddivisione dimensionale del particolato
Il particolato associato a una particolare fonte di emissione ha una sua specifica distribuzione dimensionale e composizione chimica. Il Particolato atmosferico varia da pochi nanometri (nm) fino a decine micrometri (mm). Vari studi hanno contribuito alla determinazione della distribuzione dimensionale del particolato , alcuni studi hanno aiutato nella costruzione di un modello concettuale per comprendere la distribuzione granulometrica del particolato e i meccanismi che sono alla base della sua creazione e delle rimozione. In particolare possiamo distinguere i seguenti intervalli dimensionali (figura 8):
• Nucleazione (D <0,01μm): sono particelle generate da processi di combustione ed emesse direttamente nell’atmosfera oppure particelle generate dalla condensazione di gas atmosferici in particelle primarie che poi coagulano in aggregati. • Particelle di Aitken (0,01μm <D<0,1 μm). • Accumulazione (0,1μm <D<1 μm): sono particelle di tipo nuclei mode aggregate tra di loro oppure gas atmosferici condensati. • Coarse mode particles (D>1 μm): particelle generate principalmente da processi meccanici, come le polveri trasportate dal vento, pollini, ecc..
Figura 8 suddivisione dimensionale del particolato in riferimento al numero di particelle il particolato può essere suddiviso, oltre che in funzione delle particelle che lo compongono, anche in base ai processi che lo hanno generato; infatti, grazie a questa seconda metodologia il particolato atmosferico è suddiviso in particolato primario e secondario. Il particolato primario è costituito da particelle, sia fini che grossolane, originatesi direttamente da processi meccanici di erosione, dilavamento e rottura di particelle più grandi, da processi di evaporazione dello spray marino in prossimità delle coste, da processi di combustione ed è emesso in atmosfera direttamente nella sua forma finale da sorgenti identificabili. Esso sarà dunque molto concentrato nell’aria immediatamente circostante il suo punto di emissione.
Al contrario, il particolato secondario è costituito dagli aerosol, contenenti quasi esclusivamente particelle fini, dal diametro inferiore a 1 µm, che si generano dalla conversione dei gas in particelle solide. Il particolato secondario, infatti, si forma grazie a processi di condensazione di sostanze a bassa tensione di vapore, precedentemente formatesi attraverso evaporazione ad alte temperature, o grazie a reazioni chimiche tra inquinanti primari allo stato gassoso presenti in atmosfera.
5.2 Il particolato: fonti emissive e composizione chimica
Il particolato atmosferico, in generale, contiene solfati, nitrati, ammonio, materiali organici, specie crostali, sali marini, ioni idrogeno e acqua. Di queste specie, il solfato, l’ammonio, il carbonio organico e alcuni metalli di transizione predominano nelle particelle fini, che sono legate principalmente a fonti secondarie. Tuttavia, nella frazione fine si trovano anche composti di origine primaria, come il carbonio elementare, alcuni metalli e gli IPA. Al contrario, i materiali crostali (silicio, calcio, magnesio, alluminio, ferro ecc.) e le particelle organiche biogeniche (polline, spore, frammenti di piante) fanno parte solitamente della frazione grossolana, che deriva principalmente da fonti primarie.
Gli ioni inorganici solubili in acqua costituiscono uno dei maggiori componenti del particolato atmosferico: Cl–, NO3–, Na+, Mg2+ e Ca2+ predominano nel particolato grossolano, invece, SO42– e NH4+ si trovano preferibilmente nel particolato fine.
5.2.1 Fonti naturali
L’aliquota di particolato proveniente dal suolo contribuisce per una larga frazione del particolato primario. La composizione chimica e minerologica subisce delle variazioni in relazione alle caratteristiche geologiche delle aree di provenienza. In generale le particelle sono composte di Silicati, [quarzo (SiO2), argilla (mainly caolinite, Al2Si2O5(OH)4, illite, K(Al,Mg)3SiAl10(OH)) feldespati (KAlSi3O8 and (Na,Ca)(AlSi)4O8)], carbonati ([calcite (CaCO3) e dolomite (CaMg(CO3)2)] e minori composti di solfati di calcio (CaSO4∙2H2O) e di ossidi di ferro (Fe2O3). Questi composti si possono trovare nella particolato a causa di fenomeni di risospensione e di trasporto, infatti queste particelle entrano nell’atmosfera a causa dell’interazione fra il vento e le superfici. Anche i composti di origine vulcanica possono essere inclusi nel particolato, ma il loro contributo risulta in genere limitato temporalmente e spazialmente. Relativamente al contributo dello spray marino si hanno il cloruro di sodio (NaCl), il cloruro di magnesio e vari solfati (principalmente Na2SO4, MgSO4 or K2SO4). Fonti biologiche di contributo al PM sono principalmente costituiti da elementi vegetali (spore, pollini, frammenti di foglie e di animali, principalmente di ali di insetti) e da micro organismi (batteri, funghi, protozoi e le spore fungine).
Solfato, nitrato e aerosol organici sono i principali componenti inorganici del secondario di origine naturale del PM. Il solfato è formato dopo l’ossidazione dei gas di zolfo come SO2 emessi dai vulcani o come il solfato dimetile ((CH3)2S) emesso dal mare. Il nitrato è il prodotto finale formato dall’ossidazione degli ossidi di azoto (NOx). Le principali fonti naturali di NOx derivano dal suolo e dall’irraggiamento solare. Le fonti principale dei secondari organici derivano dalle emissioni delle superficie alberate, da cui derivano emissioni di gas organici quali l’isoprene. L’ossidazione di questi vapori organici genera formazione di particolato attraverso processi di nucleazione.
Gli aerosol marini rappresentano le più abbondanti forme di particolato presenti in ambiente costiero, esse si originano in seguito all’azione dei venti e delle onde sulla superficie del mare che provocano la rottura delle bolle d’aria presenti (Woodcock, 1953), inoltre, tali forze sono anche in grado di “strappare” dalle creste delle onde gocce (spume drops) di dimensioni più grandi che però ritornano in mare velocemente. Lo spray marino inizialmente contiene tutti i componenti dell’acqua di mare. Circa il 96.8% del peso dello spray è dovuto alla presenza di acqua, mentre solo il 3.2% ai sali marini, il principale dei quali è NaCl. Solitamente gli aerosol sono costituiti da particelle grossolane, tuttavia le loro dimensioni sono fortemente influenzate dalla deidratazione (perdita di acqua) che avviene in seguito all’evaporazione dell’acqua presente nella goccia a causa della diminuzione dell’umidità relativa fra la superficie del mare sottostante e quella superiore a pochi metri d’altezza, aumentando così la concentrazione di soluto nelle goccia stessa. La polvere crostale, che consiste di minerali e materia organica formatasi nel terreno, viene portata in aria dai venti, naturalmente la quantità di materia sollevata dipende dalla velocità del vento e dalla massa delle particelle. La maggior parte di esse ha un diametro maggiore di 1 μm, perciò si parla essenzialmente di particelle grossolane. Quelle con dimensioni maggiori a 10 μm ricadono molto rapidamente a terra, mentre per diametri compresi fra 1 μm e 10 μm si hanno tempi di permanenza in atmosfera dell’ordine di giorni, settimane o più, a seconda dell’altezza a cui sono state portate inizialmente dai venti.
Tipiche sorgenti di polveri naturali sono rappresentate dalle regioni desertiche (p.e. Sahara nel nord Africa, il Gobi in Mongolia e il Mojave nel sud‐est della California) e zone in cui la copertura naturale del suolo è stata rimossa. A queste si aggiungono quelle legate alle attività antropogeniche come le demolizioni/costruzioni di edifici e il risollevamento di polveri da parte dei veicoli stradali.
Gli elementi maggiori nella composizione sia dei suoli, sia del materiale crostale, sono Si, Al e Fe, presenti sottoforma di vari minerali; la materia organica costituisce, in media, solo una piccola percentuale dei suoli. In linea generale, il profilo di un suolo è simile a quello del materiale crostale, ad eccezione del minor contributo in elementi solubili, come Ca2+, Mg2+, Na+ e K+. Si deve sottolineare, però, che la composizione
di un suolo in un determinato sito può variare considerevolmente rispetto a quelle medie, in modo particolare per gli elementi in questione.
Emissioni di polveri risollevate originano da strade pavimentate e sterrate, da cantieri di costruzione e demolizione, da operazioni minerarie, nel maneggiare cereali e nell’aratura dei campi insieme all’erosione del vento. Ci sono sostanziali variazioni nelle dimensioni delle particelle emesse tra le diverse sorgenti di polveri risollevate (Chow et al., 1994).
5.2.2 Fonti antropogeniche
Le principali fonti antropogeniche di particolato sono localizzate nelle aree urbane e in quelle industriali. Negli ambienti urbani il particolato di orgine crustale deriva dal fenomeno di erosione e di trasporto dalle superfici pavimentate e deriva anche dall’abrasione dei freni e delle gomme dei veicoli. L’aliquota carboniosa (principalmente carbonio elementare) e altri elementi quali K, Pb, Br e Cl sono prodotti di combustione emessi come particolato primario. Le particelle emesse dal traffico (da risospensione o derivanti dall’abrasione dei freni) appartengono alle particelle di grandi diametro, mentre quelle emesse dal traffico sono molto fini.
Attività industriali quali la produzione di cemento ceramiche e simili sono fonti di emissione di particolato primario (la cui composizione è principalmente di origine crustale, Ca, Si etc) . La combustione di carbone anche è considerabile come fonte di emissione di particolato primario. Le acciaierie contribuisco all’emissione maggiormente di particolato fine, la cui composizione varia in relazione al tipo di lavorazione; tuttavia Ni, V, Mn e Cu sono principalmente emessi. Un altro contributo di queste lavorazioni è associato a tutte le emissioni di tipo “fugitivo” connesse cioè a quelle fasi che prevedono la movimentazione di materiale che può essere emesso.
Il particolato antropogenico secondario è principalmente costituito da solfato, nitrato e carbonio. Un grande contributo di SO2 è generato dalla combustione del carbone negli impianti di produzione di energia e in altre attività industriali. L’ossidazione di SO2 porta alla crescita e alla formazione di acido solforico (H2SO4) che può o non può essere neutralizzato dall’ammoniaca (NH3), ione ammonio (NH4+), carbonato di calcio (CaCO3) e dal cloruro di sodio (NaCl) per formare solfato di ammonio ((NH4)2SO4), solfato di sodio ((NH4)2SO4), e altri. I composti a stato particellare derivanti dall’interazione fra l’acido solforico e gli ioni ammonio hanno dimensione inferiore al micron, quelli invece derivanti dall’integrazione con il carbonato di calcio hanno dimensioni superiori al micron.
Gli ossidi di azoto sono principalmente emessi dal traffico veicolare e da alcuni processi industriali. L’ossidazione di NOX porta alla creazione di acido nitrico che può essere neutralizzato e trasformato in ione ammonio NH4+ o in nitrato Na+. La dimensione dei composti dell’azoto dipende dagli agenti neutralizzanti. In particolare il nitrato di ammonio (NH4NO3) ha dimensione inferiore al micron, mentre il nitrato di calcio e il nitrato di sodio sono caratterizzati da maggiori dimensioni (Harrison and Kito, 1990; Wakamatsu et al., 1996).
Le combustioni di biomassa e la combustione dei carburanti rappresentano un importante fonte di emissione di vapori organici che sono precursori di vapori organici secondari. Gli aromatici e gli idrocarburi non metanici derivati dall’uso delle benzine costituiscono un’importante precursore per la formazione di secondari organici (Odum et al., 1996, 1997a, 1997b). Questi vapori sono anche emessi sotto forma di emissioni fuggitive tramite l’evaporazione delle benzine (Watson et al., 2001). Gli aerosol organici sono formati dopo l’ossidazione dei precursori gassosi e l’intervallo dimensionale varia dal micron ai 10 micron.
5.3 Metodologie di misura del particolato atmosferico
costante attraverso un sistema di ingresso di geometria particolare in cui il particolato sospeso viene separato inerzialmente entro l'intervallo dimensionale del PM10, tramite una testa di campionamento; la frazione dimensionale viene quindi raccolta su un filtro durante il periodo di campionamento stabilito. Il filtro (a valle di un condizionamento a fissate condizioni di temperatura e umidità: 20 °C, 50% U.R.) viene pesato, prima e dopo il campionamento, così da determinare per differenza la massa del PM10 raccolto. Il volume totale di aria campionata viene calcolato in base al valore del flusso di aspirazione del campionatore e alla durata del campionamento, e viene riportato alle condizioni normali di riferimento (0 °C, 101325 Pa) tramite i valori di temperatura e pressione ambiente misurati dal campionatore. La concentrazione in massa del PM10 nell'aria atmosferica si calcola dividendo la massa totale delle particelle raccolte nell'intervallo dimensionale del PM10 per il volume di aria campionato e si esprime in microgrammi per normal metro cubo (µg/m3)
Il campionatore deve inoltre avere un sistema di ingresso del campione d'aria tale che, operando entro un determinato intervallo di portate, sia in grado di discriminare il materiale particolato nell'intervallo dimensionale del PM10 conformandosi a tutte le specifiche di corretta funzionalità previste. Il sistema di ingresso dell'aria del campionatore non deve mostrare sensibile dipendenza dalla direzione del vento. Quest'ultimo requisito può in genere essere ottenuto adottando una forma per il sistema di ingresso dell'aria a simmetria circolare rispetto a un asse verticale. Il campionatore dispone di un dispositivo di controllo in grado di mantenere la portata di esercizio del campionatore entro i limiti specificati nella fase di settaggio dello strumento, anche in presenza di contenute variazioni di voltaggio della linea elettrica e per le perdite di carico sul filtro. Esistono altre metodiche di misura del particolato PM10 in continuo, fra queste si citano il metodo ad assorbimento di radiazione beta, l’analizzatore a microbilancia e i metodi ottici.
Ai fini della misura della concentrazione delle nano particelle non è possibile utilizzare il metodo gravimetrico poiché esse non danno un apporto significativo alla massa eventualmente campionata. Incidendo invece molto sulla concentrazione numerica, si misurano quante particelle ci sono in un volume unitario di aria campionata, andando a ricavare la distribuzione spettrale della concentrazione numerica rispetto al diametro. Per questo motivo, le proprietà tipicamente misurate sono la concentrazione numerica di nanoparticelle, la loro distribuzione dimensionale (concentrazione come funzione della dimensione) e la composizione chimica.
Esistono delle tecnologie di sofisticato stato dell’arte che vengono usate nella maggior parte delle applicazioni: APS, SMPS (CPC, DMA). Attualmente la società TSI è la casa di produzione più all’avanguardia nelle tecnologie per la misurazione del particolato.
Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) consiste in uno spettrometro di massa che determina la distribuzione dimensionale e la concentrazione numerica delle particelle usando una tecnica di rilevamento della mobilità elettrica delle particelle. L’ SMPS usa un caricatore bipolare in un Classificatore Elettrostatico, che corregge temperatura e pressione, con una colonna a mobilità elettrica DMA, per caricare le particelle a una distribuzione di carica conosciuta. Le particelle sono poi classificate in base alla loro abilità di attraversare un campo elettrico e vengono contate con un contatore a nuclei di condensa CPC (Condensation Particle Counter) che verrà illustrato in seguito. Esistono diversi modelli di SMPS, che permettono di misurare un range molto ampio di diametri e di concentrazione.
CPC o Condensation Particle Counter, viene usato per misurare particelle di aerosol molto piccole attraverso strumenti ottici dopo la crescita delle particelle per condensazione di un fluido di lavoro (butanolo o vapore acqueo) sulle particelle stesse. Misurando simultaneamente il valore del flusso volumetrico e contando le particelle nel CPC per unità di tempo, lo strumento fornisce la concentrazione numerica totale delle particelle nell’aerosol.
Il DMA consiste in un condensatore piano che carica le particelle al loro passaggio e le fa attecchire sulle sue pareti proprio grazie alla carica elettrica. Il DMA in particolare applicato per le nanoparticelle. L’aerosol
viene velocemente distribuito lungo l’apertura formata dal coperchio conico e la superficie a cupola al di sotto e trasportata nella fessura dell’entrata. Per ridurre la perdita di aerosol dovuta ai moti Browniani, la lunghezza del passaggio di aerosol viene ridotta al minimo mentre si cerca di mantenere un flusso costante e laminare dall’entrata. Appena il flusso entra nell’apparecchio, viene diviso in due parti dove solo il 10% viene inviato alla regione dove verrà classificato, mentre il restante 90% viene rinviato all’entrata e come flusso di aerosol in eccesso. Quest’ultimo fluisce in basso verso il passaggio del flusso in eccesso e esce dalle porte dell’aerosol in eccesso. Per assicurare una distribuzione di velocità uniforme, un anello con dei piccoli buchi è posto vicino all’uscita per creare una necessaria caduta di pressione.
L’ APS consente invece di determinare il diametro aerodinamico, indispensabile per capire il comportamento in aria delle particelle. Esso consiste in uno spettrometro che lavora nel range 0,5‐20 µm. All’interno dello strumento, le particelle vengono accelerate dal salto di pressione e attraversano due fasci laser sovrapposti. Il passaggio della particella genera due creste. La distanza tra le due è funzione del diametro [2,34].
5.4 Impatti sanitari del particolato atmosferico
Oggi il particolato atmosferico viene collocato tra i principali fattori di rischio ambientale per la salute: l’esposizione ad inquinamento atmosferico è particolare perché ne è soggetta tutta la popolazione ed è quindi praticamente inevitabile e non riducibile a zero. Il sistema maggiormente attaccato dal particolato è quello respiratorio e il fattore di maggior rilievo per lo studio degli effetti è la dimensione delle particelle in
quanto da essa dipende la capacità di penetrazione nelle vie respiratorie;
in tal senso si distinguono tre frazioni: 1. frazione inalabile: include tutte le particelle che riescono a entrare dalle narici e dalla bocca; 2. frazione toracica: comprende le particelle che riescono a passare attraverso la laringe e ad entrare nei polmoni durante l’inalazione, raggiungendo la regione tracheo‐bronchiale (inclusa la trachea e le vie cigliate);
3. frazione respirabile: include le particelle sufficientemente piccole da riuscire a raggiungere la regione alveolare, incluse le vie aeree non cigliate e i sacchi alveolari. Figura 9 Particelle osservate al microscopio elettronico Il PM10 e il PM2,5 sono assimilabili rispettivamente alle frazioni toracica e respirabile.
Figura 10 Deposizione delle particelle inalate nelle varie regioni dell’apparato respiratorio in funzione delle dimensioni delle particelle (Marconi A, 2003).
Le vie respiratorie possiedono una serie di "meccanismi di difesa" contro le sostanze estranee che penetrano in esse: le vie aeree superiori sono rivestite da una mucosa, costituita soprattutto da cellule cigliate e di cellule caliciformi, che secernono muco.
Le ciglia delle cellule si muovono a onda, in modo coordinato in modo da trasportare la sottile patina di muco e le sostanze estranee che vi restano attaccate verso la cavità orale, dove vengono inghiottite.
Inoltre fra le cellule della mucosa vi sono le terminazioni di finissime fibre nervose le quali possono essere irritate dalle sostanze nocive presenti nell'aria, e possono determinare una contrazione della muscolatura dei bronchi, un aumento della secrezione di muco e provocare la tosse. Negli alveoli, cioè le parti più profonde dei polmoni, la funzione di ripulitura non è più svolta da queste cellule, ma da altre cellule chiamate macrofagi, cellule spazzine che mangiano e smaltiscono i batteri penetrati nell'organismo, nonché i resti di cellule distrutte.
Le sostanze nocive che penetrano nelle vie aeree possono, sia a seguito di esposizioni acute che di esposizioni croniche, danneggiare in vario modo tutti questi meccanismi di difesa; l'impatto si ha, comunque, quando la velocità delle particelle si annulla per effetto delle forze di resistenza inerziale alla velocità di trascinamento dell'aria, che decresce dal naso sino agli alveoli. Questo significa che man mano che si procede dal naso o dalla bocca attraverso il tratto tracheo‐bronchiale sino agli alveoli, diminuisce il diametro delle particelle che penetrano e si depositano.
Se le particelle depositate sono liquide o solubili possono essere assorbite dai tessuti in qualsiasi punto dove si depositano e provocare dei danni intorno a tale punto. Le particelle insolubili possono essere trasportate, in base alle loro dimensioni, verso altre parti del tratto respiratorio o del corpo, dove possono essere assorbite o provocare danni biologico.
Quindi, a prescindere dalla tossicità, le particelle che possono produrre degli effetti negativi sull’uomo sono sostanzialmente quelle di dimensioni più ridotte, mentre quelle maggiori di 15 micron vengono generalmente rimosse dal naso. Il particolato che si deposita nel tratto superiore dell’apparato respiratorio (cavità nasali, faringe e laringe) può generare vari effetti irritativi come infiammazione e secchezza del naso
e della gola, effetti molto più gravi se le particelle hanno assorbito sostanze acide come il biossido di zolfo, gli ossidi di azoto, ecc. Inoltre per la particolare struttura della superficie, le particelle possono anche adsorbire dall’aria sostanze chimiche cancerogene, che una volta entrate nei tratti respiratori, prolungando i tempi di residenza, ne accentuano gli effetti.
Le particelle più piccole penetrano nel sistema respiratorio a varie profondità e possono trascorrere lunghi periodi di tempo prima che vengano rimosse, per questo sono le più pericolose. Queste, infatti, possono raggiungere gli alveoli polmonari dando luogo ad un possibile assorbimento nel sangue con conseguente intossicazione o aggravare, inoltre, le malattie respiratorie croniche come l’asma, la bronchite e l’enfisema. Le persone più vulnerabili sono gli anziani, gli asmatici, i bambini e chi svolge un’intensa attività fisica all’aperto, sia di tipo lavorativo che sportivo. Nei luoghi di lavoro più soggetti all’inquinamento da particolato l’inalazione prolungata di queste particelle può provocare reazioni fibrose croniche e necrosi dei tessuti che comportano una broncopolmonite cronica accompagnata spesso da enfisema polmonare.
5.5 Emissione del particolato dai cantieri civili
Gli impatti sull’ambiente e sulla qualità dell’aria generate dagli impianti civili e dalle opere di costruzione rivestono un importante effetto soprattutto nei paesi in via di sviluppo e nelle megalopoli di cui la Cina è ricca. Gli inquinanti provenienti dai siti di costruzione includono le polveri, i gas nocivi, il rumore, le luci notturne, i riversamenti nei fiumi e altro. Questi tipi di inquinamento può essere limitato sia ai residenti nell’intorno dell’impianto ma può (considerando la contemporanea esistenza di molti siti di costruzione) interferire sulla qualità ambientale urbano nel suo complesso.La valutazione delle emissioni di materiale particolato da parte dei siti di costruzioni da altri fonti di emissione diffuse (quali l’effetto di risospensione del traffico, la movimentazione terra, l’effetto del vento sui cumuli di terra etc) è molto importante specialmente nei casi in cui si registrano superamenti dei livelli limite e quando si ha la necessità di piani di controllo della qualità dell’aria. Vista la simultaneità di numerosi effetti, al fine di discriminare il contributo delle varie fonti (utili per una programmazione di interventi mitigatori) è importante realizzare studi volti all’analisi delle caratteristiche delle fonti emissive e della composizione chimica del particolato.
Tuttavia la complessità delle lavorazioni e la loro discontinuità temporale non consentono una facile determinazione dell’effetto delle singole operazioni sulla qualità dell’aria. Al fine di migliorare le possibilità di analisi è utile utilizzare una combinazione di modelli di dispersioni accoppiati con analisi specifiche nei dintorni dei siti in analisi (figura 11).
Figura 11 distribuzione dimensionale delle particelle in funzione delle fonti emissive ( Ahujia et al.1989) Le metodologie a disposizione per la discriminazione delle fonti del particolato dai siti di costruzione sono: 1. Bilancio di massa e Mass balance calculations using profiles of PM10 concentrations; 2. Modelli di dispersione e comparazione con i dati da champagne di misure; 3. Metodi con i traccianti;
I metodi con il bilancio di massa sono basati sulla misurazione delle differenze fra le concentrazioni orizzontali sopra e sotto vento del particolato. La differenza dei flussi orizzontali sopra e sottovento rappresenta l’emissione di particolato emesso dall’attività esaminata (figura 12). Il metodo prevede l’installazione di strumenti di misura localizzati a diverse altezze e distanze lungo il tratto esaminato. Poiché le concentrazioni di polvere e la direzione velocità del vento variano in altezza ogni punto di misura è rappresentativo di un’area delimitata dagli altri punti di misura.
Figura 12 Esempio di organizzazione misure per la determinazione emissioni di PM10 su strada non asfaltata (fonte US EPA, AP 42)
I flussi poi sono composti per ottenere il contributo complessivo della fonte di emissione di particolato. Le emissioni possono poi essere stimate anche attraverso l’utilizzo di modelli di, in questo caso le misure sui siti di analisi sono utile per l’ottimizzazione dei fattori di emissione ipotizzati. L’accuratezza dei risultati dipende dalla bontà dei fattori di emissione e dalla validità del modello utilizzato. Altre metodologie utilizzano traccianti per determinare la funzione di dispersione è il rapporto fra la concentrazione del tracciante e quella nota della sorgente di emissione.
5.6 Fattori di emissione del particolato e parametri da considerare
Per la stima delle concentrazioni di PM10 sono necessarie delle informazioni relative al sito, in particolare la distribuzione granulometrica del materiale depositato sull’asfalto, la velocità il peso e il numero di veicoli circolanti, la temperatura e umidità. Il valore dei fattori di emissioni sono calcolati usando il metodo del bilancio di massa basato sulle differenze fra le misure sopra vento e sotto vento. La differenza è proporzionale al fattore di emissione dell’area in studio.
Un fattore di emissione è un valore che è il tentativo empirico di relazionare il quantitativo di emissione di un inquinante con una particolare attività che genera questa emissione. I fattori sono in genere espressi come il peso dell’inquinanti diviso per un’unità di peso, volume, distanza o tempo dell’attività in esame. L’equazione generale di un fattore di emissione è la seguente: E = A x EF x (1‐ER/100) Dove: • E = fattore di emission; • A = livello dell’attività; • EF = fattore di emissione specifico • ER =Generale riduzione dell’efficienza di emissione I parametri ambientale che interagiscono nell’equazioni relative ai fattori di emissione sono: • Distribuzione granulometrica del particolato • Condizione della superfice • Contenuto di Umidità • Temperatura • Velocità del vento Esistono in letteratura diversi studi relative all’emissione di particolato da differenti attività. Si indicano di seguito quelli di maggiore interesse per lo studio dell’impatto dei siti di costruzione.
6 S
HANGHAI6.1 Breve introduzione storica
La storia di Shanghai inizia circa 1000 anni dopo Cristo, in questo periodo la città cambia forma e passa da un piccolo villaggio ad una città di mercato. Nel corso della dinastia Ming la città aumenta ancora di potere ed importanza. Nel corso della dinastia Qing Shanghai divenne uno dei porti marittimi più importanti nella regione, soprattutto a seguito di alcune decisioni prese dall’imperatore Kangxi che diedero impulso al traffico marittimo e rilanciarono la città soprattutto in relazione alla sua felice posizione. Nel corso del 1700 Shanghai, pur non essendo ancora un’importante città politica cinese era un punto di riferimento per il commercio. Nel corso del diciannovesimo secolo l’attenzione internazionale verso la città cresce a causa dell’importanza del traffico marittimo sul fiume Yangtze; in particolare nel corso della Guerra dell’Oppio (1839‐1842) le forze Britanniche occupano temporaneamente la città. La guerra si concluse con il trattato di Nankino e con l’obbligo dell’apertura al traffico internazionale dei porti della città. E’ nel corso di questo periodo che nascono i quartieri occidentali (le concessioni straniere) che ancora oggi sono presenti nella parte vecchia della città. Nel 1930 la città di Shanghai era la quinta più popolosa al mondo e casa di circa 70.000 stranieeri.Sotto la Repubblica Cinese (1911‐1949) lo status politico della città venne stato innalzato a quello di municipalità. A seguito dell’invasione giapponese la città di Shanghai è stata occupata dalle forze nipponiche fino al 1945, nel 1949 le forze di liberazione nazionale prendono il controllo della città. A partire da quegli anni inizia la crescita industriale della città e anche nel corso dei turbolenti periodi della Rivoluzione Culturale Shanghai ha mantenuto un certo benessere e un certo tasso di crescita economico.
6.2 Crescita economica e demografica
Situata a 31°14’ Nord e a 121°29’ Est la città di Shanghai confina con il fiumq Yangtze al nord e con il mare cinese dell’est nella parte est, La Hangzhou al sud e le Province del Jiangsu e dello Zheijiang ad Ovest. La posizione geografica è estremamente favorevole in quanto la città è situata al centro della linea di costa cinese permettendo facili comunicazioni, Shanghai inoltre ha un moderno sistema di comunicazione sia via terra che via mare.
La città copre un’area totale di circa 6.340 KM2, le dimensioni sono di circa 100 km in larghezza e 120 chilometri in lunghezza. La popolazione residente nella città di Shanghai nell’anno 2003 era di 13.42 milioni, a cui và aggiunta un numero di popolazione non residente di circa 5 milioni.
La città si caratterizza per un forte settore industriale e commerciale, dispone inoltre del più grande complesso petrolchimico della nazione, della maggiore industria per la produzione di acciaio, e di altri importanti poli industriali.
L’economia della città di Shanghai si è sviluppata velocemente a partire dal 1990, il PIL ha superato il 10% ogni anno raggiungendo 62.5 miliardi di RMB, all’incirca 5.57 miliardi di dollari alla fine del 2004. Il PIL pro capite (considerando sia la popolazione residente che non residente) è superiore ai 4.000 dollari.
6.3 La produzione di energia nella città di Shanghai
Circa un terzo dell’elettricità consumata nella città di Shanghai viene importata dalle Province circostanti, I rimanenti due terzi sono prodotti localmente. La maggior parte dell’energia viene ancora generata attraverso impianti il cui combustibile è il carbone.
Nel corso dell’ultima decade la municipalità di Shanghai hai investito molto in progetti volti al miglioramento della struttura energetica migliorando gli impianti di carbone e installando sistemi di abbattimento degli inquinanti dagli impianti industriali. Al 2007 le percentuale di carbone utilizzato come fonte primaria di energia è sceso al 51.3 percento rispetto al 65% che si aveva nel 2000. L’uso del gas e di elettricità importata dalle Province limitrofe (inclusa quella generata dalla diga delle tre gole) ha aumentato il mix di energia. Anche l’utilizzo di fonti rinnovabili è incrementato, per complessivi 27.3 MW di impianti eolici installati e di circa 200 kW di impianti fotovoltaici.
La municipalità di Shanghai ha approvato il piano per l’aumento dell’intensità con minor consumo di energia rivolto alle industrie (come acciaerie, cementifici, raffinerie), ed ha accelerato i progetto di spostamento di quelle maggiormente più inquinanti lontano dalla città‐ dal 2005 al 2007 più di 7.000 industrie sono state chiude. La crescita dell’energia consumata dal comparto industriale anche è stata tenuta sotto controllo.
L’indice di efficienza energetica della città di Shanghai è migliorato: si cita ad esempio il valore dell’intensità pari a 0.79 tonnellate di carbone equivalente (TCE) per ogni 10.000 RMB di PIL, registrato nel 2008, che risulta di circa il 31% minore di quello registrato nel 2000 (figura 13).
Figura 13 Andamento dell’intensità energetica della città di Shanghai (fonte Shanghai EPB)
Questo miglioramento dell’indice di efficienza energetica è stato possibile anche attraverso la riduzione delle dipendenza dal carbone come combustibile primario per la produzione di energia a vantaggio di nuovi impianti a gas. Infatti a partire dal 1997 la Municipalità di Shanghai ha sostituito vecchi impianti per un numero totale di circa 6.000 impianti; allo stato attuale l’area racchiusa dal primo anello è stata dichiarata “carbon free” alla fine del 2008.
A partire dal 2005 è stato avviato un importante programma di desolforizzazione degli impianti attraverso l’installazione di sistemi di abbattimento dell’SO2 per una complessiva potenza di circa 10 GW (figura 14).
