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Il Modello CAMx
3.1 Introduzione
CAMx (Comprensive Air quality Model with eXtensions, versione 4.03, sviluppato da
ENVIRON, California, 2003) è un modello di trasporto, dispersione e trasformazione di inquinanti atmosferici fotochimico eureliano a griglia (3D):
− fotochimico: implementa meccanismi semplificati di fotochimica atmosferica,
centrati sul ciclo NOx – O3 con intervento di VOC e radicali liberi; inoltre è
dotato di un modulo per la chimica del particolato;
− eureliano: risolve l’equazione generale di trasporto e trasformazione riferendosi
ad un sistema fisso di coordinate (equazione di continuità);
− a griglia: suddivide il dominio spaziale della simulazione in una griglia
tridimensionale (fig.3.4).
L’equazione fondamentale su cui si basano CAMx e gli altri modelli di dispersione deriva dal principio di conservazione della materia:
I vari termini dell’equazione rappresentano la variazione di concentrazione nel tempo di una singola specie in un punto griglia dovuta: al trasporto orizzontale e al trasporto verticale che seguono il campo di vento; alla diffusione orizzontale e verticale dovute alla turbolenza; alla
cinetica chimica dipendente dal meccanismo scelto; all’emissione delle sorgenti presenti; alla rimozione dovuta ai due tipi previsti da CAMx: la deposizione a secco e quella a umido.
Il sistema di equazioni differenziali viene risolto con un metodo numerico che, separando i termini dell’equazione in moduli, ne computa in serie il contributo (tecnica di splitting). Ad ogni passo temporale il modello opera nel seguente modo, risolvendo ciascun algoritmo: 1) Iniezione delle Emissioni da tutte le sorgenti;
2) Trasporto Orizzontale, alternando ad ogni passo l’ordine tra x e y per prevenire
divergenze numeriche; 3) Trasporto Verticale; 4) Diffusione Verticale; 5) Diffusione Orizzontale; 6) Deposizione Umida; 7) Chimica.
La Deposizione Secca non è trattata esplicitamente come un processo separato, bensì se ne tiene conto calcolando per ogni specie una velocità di deposizione che viene posta come condizione al limite inferiore del dominio, in modo da considerare la rimozione abbinandola al miscelamento verticale.
Quello che si ottiene ad ogni passo temporale è la concentrazione di ogni specie in ogni punto della griglia, rappresentative delle concentrazioni medie all’interno delle singole celle. Il modello calcola sia le concentrazioni istantanee (ad ogni passo d’integrazione) sia quelle medie (in un periodo definito dall’utente, in genere un ora).
3.2
Input files
Per un run completo il modello necessita dei seguenti files (fig.3.1):
Input meteorologici 3D
o Vento (componenti orizzontali)1 o Temperatura 1
o Pressione 1
o Diffusività Verticale 1 o Umidità Assoluta 1
o Copertura Nuvolosa, Pioggia 1
Input emissivi
o Sorgenti Puntuali 1 o Sorgenti Diffuse 1
Input fotochimici
o Chimica (meccanismo e parametri) 2 o Fotolisi (costanti cinetiche) 2
o Albedo, Torbidità Atmosferica, Colonna d’Ozono 2
Input qualità aria
o Concentrazioni Iniziali 1 o Concentrazioni Laterali 1
o Concentrazioni al Limite Superiore 2
Input geografici
o Utilizzo del Terreno 1 o Orografia 3
1 Formato Binario 2 Formato ASCII
3 le informazioni sull’orografia possono venire utilizzate per la definizione della griglia delle altezze,
Non tutti i files sono però obbligatori. Infatti è possibile utilizzare il modello in varie configurazioni operative, relative alla complessità del fenomeno che si vuole simulare (complessità dello scenario emissivo, meteorologia o inquinante che si vuole descrivere). Pertanto si possono disattivare i moduli di deposizione umida e secca, nonché il modulo chimico. Inoltre non è necessario che siano presenti entrambe le tipologie di sorgenti emissive. Quindi per una simulazione di base "inerte" che preveda il solo trasporto e dispersione di un inquinante, i files necessari si riducono a:
Input meteorologici 3D
o Vento (componenti orizzontali)1 o Temperatura 1
o Pressione 1
o Diffusività Verticale 1
Input qualità aria
o Concentrazioni Iniziali 1 o Concentrazioni Laterali 1
o Concentrazioni al Limite Superiore 2
Altri input
o Chimica (deve essere specificata inerte) 2 o Sorgenti Puntuali o Diffuse 1
In tutti i casi deve inoltre essere presente un file di controllo (CAMx.in) che passa tutte le informazioni necessarie al programma:
− Periodo della simulazione − Dimensioni della griglia
− Tipo e origine del sistema di coordinate − Specie da simulare
− Moduli attivati/disattivati
− Percorso di ricerca degli input/output files − Altre informazioni specifiche
Come si può notare CAMx necessita di molti dati in ingresso, complessi nella loro elaborazione e adattamento al caso di studio e di non facile reperimento. Per ottenerli sono necessari altri modelli che forniscono dati “grezzi” che devono essere elaborati prima di poter essere forniti al programma nella forma adatta. A tale scopo sono utilizzati dei prepocessori come interfaccia tra i diversi modelli (fig.3.2).
E’ proprio alla creazione di queste interfacce o alla loro modifica che è stata dedicata una cospicua parte del presente lavoro.
Il codice di CAMx è scritto in linguaggio di programmazione Fortran77 e di conseguenza anche le interfacce sono state implementate in questo linguaggio, in ambiente operativo Linux.
3.3
Output files
Una simulazione di CAMx fornisce i seguenti files:
o average : sono riportate le concentrazioni medie degli inquinanti specificati nel file
di controllo, in tutte le celle o solo in quelle adiacenti al terreno, in un intervallo di tempo stabilito (in genere un’ora), lungo tutto l’arco della simulazione.
o instantaneous : sono riportate le concentrazioni istantanee tridimensionali di tutti
gli inquinanti presenti nel file chimico, al termine della simulazione. E’ utilizzato da CAMx stesso come file di partenza nel caso di simulazioni successive.
o deposition : sono riportate le quantità depositate al suolo per ettaro, le velocità di
deposizione (rimozione secca) e le concentrazioni in fase acquosa (rimozione umida) degli inquinanti specificati nel file di controllo, per ogni cella superficiale.
o altri files diagnostici, di errore e di bilanci di massa.
I primi tre set di dati vengono registrati in formato binario ed anch’essi, come gli input, devono essere elaborati con post-processori creati ad hoc per essere letti, elaborati e adattati a programmi di visualizzazione grafica o di animazione (fig.3.2).
3.4
La chimica di CAMx
I meccanismi chimici implementati in CAMx sono di tipo ridotto, nel senso che rappresentano uno schema semplificato rispetto ai meccanismi espliciti, che invece tengono conto di un gran numero di reazioni, descrivendo in maniera molto più dettagliata la chimica “reale”. Tali schemi sono però raramente utilizzati, perchè dal punto di vista computazionale implementarli in un modello di dispersione tridimensionale sarebbe proibitivo, in quanto richiederebbe tempi di calcolo troppo onerosi per le risorse attuali. Ad esempio un’applicazione di questi codici su scala nazionale (Italia, Progetto MINNI, Monforti et al. 2004) prevede l'implementazione su di un cluster di ventotto PC, che lavorano in parallelo e che indicativamente per simulare un anno di dati, relativamente alla sola chimica acida, necessitano di 15 giorni di calcolo a tempo pieno.
Per questo sono stati sviluppati i meccanismi ridotti, che con un numero di reazioni non molto elevato e raggruppando le specie coinvolte in categorie (lumping), descrivono in maniera semplificata la chimica dell’atmosfera.
Per quanto riguarda la chimica in fase gassosa, in CAMx è possibile scegliere tra due meccanismi:
SAPRC99 : 211 reazioni, 74 specie (56 gas, 18 radicali)
Le specie chimiche vengono raggruppate secondo molecola : composti appartenenti alla stessa famiglia e con reattività simile sono riuniti in specie-gruppo.
Ad esempio gli alcani e gli alcheni sono rappresentati dalle specie ALK1 ALK5 e OLE1 OLE2 a seconda del peso molecolare medio.
CB4 : 100 reazioni, 46 specie (34 gas, 12 radicali)
Il raggruppamento è fatto secondo struttura : le molecole delle varie specie vengono “scomposte”, secondo i tipi di legame presenti, in sottospecie più elementari e sono queste entità ad essere considerate nel meccanismo.
Ad esempio i legami semplici C – C sono rappresentati dalla specie PAR, mentre quelli doppi C = C dalla specie OLE .
Collegandola a quest’ultimo meccanismo, CAMx offre la possibilità di includere anche la chimica del particolato. Le specie considerate sono suddivise in particolato organico (carbonio elementare ed organico sia primario che secondario) e inorganico (solfati, nitrati, ammonio, sodio e cloro), nonché suddivise in due classi dimensionali (fine se < 2.5 m,
coarse se < 10 m).
Da alcune specie del CB4 (fig.3.3) vengono fatte derivare quattro specie fittizie (condensible
organic gas CG1-4) considerate precursori del particolato organico secondario, anch’esso suddiviso in quattro categorie (SOA1-4), secondo uno schema d’equilibrio in fase condensata
detto SOAP (Secondary Organic Aerosol Partitioning).
La partizione tra fasi gas-aerosol del particolato inorganico è invece stabilita secondo il modulo d’equilibrio termodinamico ISORROPIA (Pandis et al 1915).
E’ considerata anche la chimica in fase acquosa secondo il meccanismo RADM (Regional
Acid Deposition Model). Nelle tabella 3.1-2 sono riportate le specie fittizie trattate dal
meccanismo CB4 con estensione per la modellazione del particolato.
Come si può intuire, effettuare simulazioni che prevedano la chimica non è affatto semplice. E’ infatti necessario fornire al modello le emissioni delle specie così come sono rappresentate nei meccanismi ridotti e non certo tal quali a quelle che si hanno a disposizione (ad esempio, dagli inventari delle emissioni). Quel che si prospetta è il problema della ripartizione (splitting): a partire da dati di emissioni globali (che considerano le emissioni totali di PM e VOC senza alcuna precisazione) ricavare le emissioni speciate, in cui sono cioè esplicitati i singoli costituenti. Inoltre di queste specie fittizie è necessario conoscere anche dati di qualità dell’aria, quali concentrazioni iniziali e al contorno del dominio di simulazione, dato quest'ultimo di non facile reperimento e che necessita di campagne sperimentali di monitoraggio della qualità dell'aria progettate ad hoc. Infatti il cospicuo numero di campionamenti e di analisi da svolgere in laboratorio rende il reperimento di questi dati non convenzionale; soltanto negli ultimi cinque anni si sono potute approntare in Europa, e ancora più recentemente in Italia, sistematiche campagne di misura e caratterizzazione dei VOC e del PM. Inoltre la caratterizzazione delle emissioni presenta il medesimo problema. Sarebbe infatti necessario effettuare analisi qualitative e quantitative di tutte le emissioni, nonché monitorare un gran numero di composti chimici, per poi accorparli in specie-gruppo o suddividerli in sottospecie (con l’ulteriore problema di stabilire i criteri del lumping che possono non essere univoci).
Ovviamente risolvere questo problema in maniera accurata è impossibile. Quel che si può fare è stabilire un profilo di speciazione di riferimento in funzione dell’attività produttiva svolta dalla sorgente, che tenga conto della composizione media delle sue emissioni. Ovviamente, anche se simili e appartenenti agli stessi settori, ogni attività è diversa dalle altre e parlare di composizioni “tipo” è una forte approssimazione che introduce errori non trascurabili. Ma allo stato delle cose è l’unica via percorribile.
TOL CG1 SOA1 XYL CG2 SOA2 PAR CG3 SOA3 OLE CG4 SOA4 CRES OLE2
fig.3.3: schema di formazione del particolato organico secondario secondo il sistema CB4 - SOAP
Nei capitoli seguenti vedremo le modalità di preparazione dei files richiesti da CAMx, per quello che è l’intento di questa tesi: in generale, presentare un metodo per l’implementazione del modello, mostrando la rete di preprocessori, postprocessori, interfacce e relativi files di I/O costruita allo scopo; in particolare, testare il modello con semplici prove di sensitività e confronti di prestazione con un altro modello di dispersione (CALPUFF) ed effettuare una simulazione su tutta la Toscana.
Emissioni
CAMx
Meteorologia
Qualità
Aria
Geografia
Chimica
Campi di
Concentrazione 3D
figura 3.1IGM IRSE Regione Toscana
MM5
CALMET
TUV
TOMS
EMEP
SURFER
VIS5D
CAMx
Diagramma Integrato Pre/Post Processori e Interfacce CAMx
1 NO monossido di azoto 2 NO2 biossido di azoto
3 O3 ozono
4 PAN perossiacetilnitrati 5 NXOY altri ossidi di azoto 6 OLE legami olefinici C=C 7 PAR legami paraffinici C-C 8 TOL toluene e gruppi –C6H4-CH3
9 XYL xileni e gruppi –C6H3-(CH3)2
10 FORM formaldeide e gruppo –CO-H 11 ALD2 acetaldeide e gruppo –CO-CH3
12 ETH etilene 13 CRES cresoli e fenoli 14 MGLY metilgliossale
15 OPEN frammenti di ossidazione anelli aromatici 16 PNA acido perossinitrico
17 CO monossido di carbonio 18 HONO acido nitroso 19 H2O2 perossido di idrogeno 20 HNO3 acido nitrico 21 ISOP isoprene
22 MEOH metanolo
23 ETOH etanolo
24 ISPD prodotti di reazione isoprene 25 NTR prodotti di reazione nitrati organici 26 SO2 anidride solforosa
27 SULF acido solforico 28 NH3 ammoniaca 29 HCL acido cloridrico 30 OLE2 terpeni e alcheni biogenici 31 CG1 gas organici condensabili
32 CG2 “
33 CG3 “
34 CG4 “
1 PNO3 nitrati
2 PSO4 solfati
3 PNH4 ammonio
4 POA particolato organico primario 5 SOA1 particolato organico secondario
6 SOA2 “
7 SOA3 “
8 SOA4 “
9 PEC carbonio elementare primario 10 FPRM altro particolato primario < 2.5 m 11 FCRS particolato naturale fine
12 CPRM altro particolato primario > 2.5 m e < 10 m 13 CCRS particolato naturale grosso
14 NA sodio
15 PCL cloro
Tab.3.2: Specie Aerosol del CB4
fig.3.4: approccio tridimensionale di CAMx
