L'inquinamento atmosferico in Italia. Misure e modelli per comprendere i fenomeni e le tendenze - PM2018 Matera
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L’inquinamento atmosferico in Italia. Misure e modelli per comprendere i fenomeni e le tendenze. VIII Congresso Nazionale sul Particolato Atmosferico – PM2018. Matera, 23-25 maggio 2018. Gabriele Zanini – Responsabile Divisione Modelli e Tecnologie per la Riduzione degli Impatti Antropici e dei Rischi Naturali.
Il Laboratorio Inquinamento Atmosferico
LUISELLA CIANCARELLA
Responsabile Laboratorio Inquinamento Atmosferico
SEDE BOLOGNA
Mario Adani, Massimo Berico, Gino Briganti*, Andrea Cappelletti*, Giuseppe Cremona, Massimo
D’Isidoro, Maurizio Gualtieri, Teresa La Torretta , Antonella Malaguti, Mihaela Mircea, Ettore Petralia
(AR), Antonio Piersanti, Gaia Righini, Felicita Russo (TD), Milena Stracquadanio (TD), M.Gabriella
Villani**, Lina Vitali
SEDI ROMA
Ilaria D’Elia, Alessandra De Marco, Pasquale Spezzano, Giovanni Vialetto
* sede ENEA Pisa
* sede ENEA Ispra
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
Inquinamento atmosferico
• è il maggiore rischio ambientale per la salute umana:
nel 2012 nel mondo, 7 milioni di morti premature (12% del totale)
(WHO, 2015)
• in Italia, nel 2014, 84400 morti premature da PM2.5, NO2, O3
(EEA, 2016)
• principali patologie: tumore al polmone, infarto, ischemia, asma, malattie
respiratorie acute e croniche
• costi: In Italia, nel 2010, 97 miliardi US$ (per le morti premature), 4.7% del
PIL annuale (WHO, 2015)
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
Emissioni settoriali in Italia 2015
Fonte: ricerca FSS, 29 settembre 2017.
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
Fotochimica fase Emissioni particolato
gassosa inorganico primarie
Vapori organici ( polveri, ceneri, etc)
semi-volatili
Gas organici
primari Emissioni di SO2
Sale marino
Fotochimica fase
Emissioni particolato gassosa
organico primarie
( OC, EC)
HNO3 H2O H2SO4
Fotochimica fase
gassosa
Emissioni primarie
Emissioni di NOx Emissioni di NH3
di H2SO4
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
Alcune attività sperimentali Misure in laboratorio della composizione chimica del particolato Misure in laboratorio dei traccianti Misure online della composizione chimica del particolato Attribuzione delle sorgenti Esposizione delle cellule a condizioni ambientali reali
Misure in laboratorio sulla composizione
chimica del particolato
Particolato atmosferico : PM10, PM2.5, PM1;
Frazione carboniosa del PM: TC, EC, OC, CC, WSOC;
Elementi in traccia e metalli:
ioni inorganici solubili in acqua: Cl-, NO2-, NO3-, SO42-, Na+, K+, NH4+,
Ca2+, Mg2+;
Laboratory instruments:
Sunset Laboratory OC/EC Lab. Analyzer (off-line)
Shimadzu TOC-5000 (off-line)
Dionex ICS3000 HPAEC (High Performance Anion-Exchange
Chromatography) (off-line)
Water Soluble Inorganic Ions:
Anions: Dionex ICS-1100 , AS9-HC(250x4mm) (off-line)
Cations: Dionex ICS- 1100, CS12A (250x4mm) (off-line)
Sampling of PM10, PM2.5, PM1:
LVS-FAI HYDRA Dual Sampler (off-line analysis PM10, PM2.5, PM1)High
Volume Andersen (off-line analysis, PM10, PM2.5 )
Misure in laboratorio dei traccianti
Traccianti specifici della combustione della legna: Levoglucosano,
Mannosano, Galactosano.
Levoglucosan Cellulose and hemicellulose pyrolisis (T > 300°C)
Mannosan and Gallattosan hemicellulose pyrolisis (T > 300°C)
Analytical Method:
HPAEC-PAD (High Performance Anion Exchange Chromatography equipped with Pulsed Amperometric Detection)
ACTRIS ILCs 2017:
Interlaboratory Comparison ACTRIS Levoglucosan and its isomers 2017-2018 (2 Standard Solutions + 4
PM samples)
PM samples from Bologna urban background site provided by ISAC-CNR
Manuscript on “Integration of Source Apportionment and Macro Tracer methods for quantification of Woody Biomass Burning
contribution to PM10”, submitted to Journal of Aerosol Sciences
Contributo della Combustione di Biomassa al PM
Stima del contributo della combustione della biomassa legnosa al PM10
calcolata attraverso la concentrazione di Levoglucosano (tracciante
specifico).
Area Suburbana
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Misure offline e online di elementi in traccia e
metalli
Na, Mg, Al, Si, K, Cu, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe,
Co, Ni, Zn, As, Rb, Se, Br, Sr, Mo, Pd, Ag,
Sn, Sb, Te, La, W, Pt, Au, Tl, Bi, Cl, Ba, Pb,
S, Cs, Ce.
Metodo analitico:
Energy-dispersive X-ray fluorescence
(ED-XRF)
Identificazione e quantificazione;
Markers di sorgenti specifiche;
Intrusioni di sabbie desertiche;Misure Online della composizione chimica del PM
Caratterizzazione chimica del PM con Identificazione delle sorgenti e
strumenti ad alta risoluzione apporzionamento
temporale
• Identificazione
• ACSM (main delle sorgenti
components of
non-refractory
PM1)
• Sunset OC/EC
Analyzer
• AIM URG-9000D • Cicli giornalieri
(cations and delle sorgenti
anions)
• Contributi dalle
sorgentiAir-liquid interface (ALI) esposizione di cellule polmonari a condizioni
ambientali reali Carbonaceous Aerosol in Rome and Environs (CARE)
Project 2017
Misure real time delle
proprietà chimico
(ACSM, EC/OC, URG-
Ions) fisiche(SMPS)
del PM
Selection of in vitro
model for lung
Culturing at ALI of in Esposizione
epithelia relevant for
vitro models and diretta a PM di
air pollution
transfer in the diametro pari a
exposure apparatus. quello misurato In
Identificazione di parametri che correlano
composizione PM ed effetti biologici tempo reale.
Il protocollo di esposizione può essere
selezionato in base al tempo di esposizione (da
poche ore a 24 h) e ripetuto nel tempo.
Identificazionedi descrittori fra effetti biologici ed
esposizioneIl Sistema Modellistico
Atmosferico (SMA)
Inventari
I MODELLI sono un utile strumento per: Campi ECMWF Dati Locali (ISPRA GAINS ed Info spaziali
EMEP) e temporali
- valutare la qualità dell’aria nelle zone in
cui non sono presenti stazioni di RAMS
misurazione; Sottosistema
METEO Emission
- integrare e combinare le misurazioni Manager
effettuate in siti fissi, in modo tale da Meteo
SURFPRO Sottosistema
ridurne il numero;
EMISSIVO
- ottenere campi di concentrazione anche
Parametri di Emissioni
nelle aree all’interno delle zone ove non turbolenza
esistano stazioni di misurazione o
estendere la rappresentatività spaziale
delle misure stesse;
- comprendere le relazioni tra emissioni e
immissioni, discriminare i contributi delle Matrici di
diverse sorgenti alle concentrazioni in una Campi EMEP FARM Trasferimento
IC e BC
determinata area (source
apportionment), e determinare i contributi
transfrontalieri e quelli derivanti da
fenomeni di trasporto su larga scala (per Sottosistema
esempio, le polveri sahariane); CHIMICO-FISICO GAINS-Italia
Concentrazioni e Deposizioni
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Verificare la qualità dell’aria a livello
nazionale
Concentrazioni annuali PM10
2005 2010 2015
Inquinanti simulati:
O3, NO2, SO2, PM10, PM2.5
HM: As, Cd, Ni, Pb, Hg
PAHs: Benzo(a)pirene, Benzo(b)fluorantene, Benzo(k)fluorantene, Indeno(1,2,3-cd)pirene
Mircea et al. (2014, Atm.Env.)
Ciancarella et al. (2016, Technical Report ENEA)Verificare l’efficacia di soluzioni a microscala
PMSS (Parallel Micro-SWIFT-SPRAY) applicazione a scala urbana
PROJECT: URBESS :Nature Based Assessment Tool For Smart And Sustainable Urban Planning,
Pathfinder Project:
EIT Climate – KIC
Caso studio: Modena
Meteo, landuse, obstacle
description Viale Verdi
PSWIFT
Emissions
High resolution 3D wind, temperature
and turbulence fields
PSPRAY
3D pollutant concentration field
Citytree, a green infrastructure to
abate air pollution by deposition
on vegetated panelsURBESS –PMSS set-up & principali risultati
Simulation domains Δ% in PM
Case study 1:
Single City-tree
(CT)
• La forma della
regione influenzata
dai cambiamenti della
concentrazione
cambia radicalmente
in caso di singolo CT
o di una barriera con
più CT.
• La forma della
Case study 2: regione influenzata
City-tree Barrier
non dipende dalla
(~153 CT)
velocità di
deposizione.Sistema nazionale di previsione della qualità
dell’aria ad alta risoluzione ForAir_IT.
ForAir_IT
20 km
3 days forecast
4 km
3 days forecast
Meteo: GFS, United States weather service
(NCEP)
BCs: Global Air Quality forecast MACC-
Copernicus ForAir_IT “corre” su ENEA CRESCO – HPC Computing
Emissioni - Italia: ISPRA 2010 Infrastructure
Emissioni - Europa: TNO 2005 EMEPPrevisione nazionale della qualità dell’aria. Aiutare i decisori locali.
Media giornaliera delle concentrazioni di
PM10 dal 6 Ottobre 2017 al 21 Ottobre 2017
Aree Gialle: eccedenze del valore limite
giornaliero di 50 mg/m3 per il PM10 (visibile
dal 10 Ottobre)
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.VIIAS e MED HISS
MED HISS
• Progetto nazionale, 2013-2015, 400 m€ • EU LIFE+ Pilot project, 2013-2016, 790 m€
finanziato dal Ministero della Salute finanziato da EC.
• Coordinamento: Dipartimento • Coordinamento ARPA Piemonte
Epidemiologia del SSR del Lazio • 4 nazioni: Italia, France, Slovenia e Spain -
• 9 partners: 2 agenzie nationali, 3 agenzie 7 partners (national and regional env.
regionali, 3 università, 1 SME agencies and epidemiological surveillance
• obiettivo: stime mortalità malattie agencies, 1 university)
respiratorie, cardiovasculari, cancro • obiettivo: to set up a low-cost surveillance
polmonare e totali) e mesi di vita persi a system of long term effects of air pollution,
causa dell’esposizione all’inquinamento based on routine air quality and health data
atmosferico (National Health Interview Surveys, mortality
• Anni base(2005, 2010) e anni futuri (2020, 3 and hospital admissions registries, air
scenari) pollution models)
• Stime sull’intero Paese e individualmente • inquinanti: PM10, PM2.5, NO2, O3
sulle 20 regioni
• inquinanti: PM2.5, NO2, O3
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
20EU LIFE+ Pilot project, 2013-2016: MED
HISS
Riduzione della speranza di vita per area geografica in Italia a causa delle concentrazioni di PM2.5 (
2010)
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Progetto VIIAS: tassi di mortalità PM2.5 per 100000 ab.
Elaborazioni ENEA Modello MINNI
22IL PROGETTO VIIAS (www.viias.it)
DECESSI PER CAUSE NON ACCIDENTALI ATTRIBUIBILI A PM2.5 PER 100.000 RESIDENTI PER MACRO AREA GEOGRAFICA E
REGIONE
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Scenari ed efficacia.
La Direttiva NEC.
L’accordo di Bacino Padano.
Gli obiettivi ed i costi per le Regioni.
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Il Modello di Valutazione
Integrata (IAM) GAINS-Italia
Gli IAM sono strumenti
fondamentali per:
- prevedere la qualità dell’aria
a medio-lungo termine sulla
base di scenari futuri di
emissione o in funzione di
variazioni delle condizioni
meteorologiche/climatiche;
- valutare l’efficacia delle
misure di contenimento delle
emissioni in atmosfera.
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.La nuova Direttiva NEC
(National Emission Ceiling)
La nuova Direttiva NEC (National
Emission Ceiling) definisce, per ogni
Stato Membro, gli impegni di riduzione
delle emissioni atmosferiche
antropogeniche di SO2, NOX, COVNM,
NH3 e PM2.5, e impone l'elaborazione,
l'adozione e l'attuazione di programmi
nazionali di controllo dell'inquinamento
atmosferico e il monitoraggio degli effetti
di tali inquinanti.
Tali limiti alle emissioni hanno l’obiettivo di
conseguire livelli di qualità dell’aria che
non comportino impatti negativi e rischi
significativi per la salute umana e
l’ambiente.
Con gli scenari attuali non verranno rispettati gli obiettivi di
riduzione delle emissioni 2030, rispetto all’anno base 2005, di
PM2.5, COVNM e NH3
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Risultati ottimizzazione in termini di costi aggiuntivi totali sullo
Politiche e misure: il tool di scenario baseline (BL) in M€/anno per l’anno 2030
ottimizzazione.
Nelle più recenti politiche ambientali sulla
qualità dell’aria, dalla revisione del Scenario CONC:
protocollo di Göteborg alla revisione della target di riduzione
Direttiva NEC, gli obiettivi di riduzione direttamente sulle
delle emissioni sono stati sempre stimati concentrazione di
avendo come obiettivo la riduzione degli PM2.5 tale da
impatti negativi dell’inquinamento sulla individuare lo scenario
di minor costo che
salute e gli ecosistemi.
raggiunga il valore
obiettivo di 20 mg/m3
Lo strumento di ottimizzazione sviluppato
da ENEA, in collaborazione con IIASA, Scenario HEALTH:
consente di determinare costi, misure e target in termini di
riduzione delle emissioni inquinanti a riduzione
livello regionale a partire da un obiettivo dell’esposizione tale
di tipo sanitario o ambientale. che l’esposizione
totale nazionale sia la
stessa nei due scenari
Nell’esempio 2 scenari per l’anno 2030:
- CONC
- HEALTH
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Politiche e misure: il tool di
ottimizzazione
Entrambi gli scenari elaborati mostrano
che per ridurre le concentrazioni di PM2.5
al 2030 sono necessarie misure di
riduzione delle emissioni di PM2.5
primario ma anche misure di riduzione
delle emissioni di NH3.
Lo strumento fornisce indicazioni sulle
possibili misure che potrebbero essere
adottate a livello regionale e i relativi costi
totali.
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Il tool di ottimizzazione
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Risultati ottimizzazione in termini di misure per ridurre le emissioni al
Politiche e misure: il tool di 2030 rispetto al baseline 2030
ottimizzazione
Lo strumento di ottimizzazione oltre ad
individuare costi, misure e riduzione delle
emissioni a livello regionale, restituisce
per ogni scenario (baseline, di policy e di
massima penetrazione tecnologica) la
riduzione dell’aspettativa di vita (in mesi)
legata alle concentrazioni di PM2.5 con
una risoluzione spaziale orizzontale di 20
km.
Mesi di vita persi dovuti alle Mesi di vita guadagnati nello
concentrazioni di PM2.5 nello scenario ottimizzato HEALTH
scenario di riferimento 2030 al 2030 (risoluzione 20 km)
(risoluzione 20 km)
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Risultati modello MINNI risoluzione orizzontale di 4 km. Concentrazione media PM2.5
Misure Nazionali per
Accordo Bacino Padano
Le misure nazionali per Accordo Bacino
Padano prevedono misure nei seguenti
settori:
BP 2020
BL 2020
- Riscaldamento civile (decreto
certificazione apparecchi combustione
biomasse);
- Certificazione energetica degli edifici;
- Trasporto stradale (riduzione limiti
velocità autostradale, diffusione auto
elettrica (3.5% 2020 e 13.6% 2030));
- Industria (limiti agli impianti industriali
alimentati a biomassa legnosa);
- Agricoltura. BL 2030 BP 2030
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.La sfida del cambiamento climatico
• La qualità dell’aria e la variazione climatica.
• Quanto vale la variazione climatica? Forse quanto una Direttiva. E in termini di impatti
sanitari quanto vale l’interazione fra stress termico e variazione delle concentrazioni?
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
32Temperature future in Roma
Roma-scenario RCP4.5: Surface Temp. 2021-2050 vs 1971-2000
Representative Concentration Pathways (RCPs) are
four greenhouse gas concentration (not emissions)
trajectories adopted by the IPCC for its fifth
Assessment Report (AR5) in 2014
Proiezione anomalia temperatura
Roma-scenario RCP8.5: Surface Temp. 2021-2050 vs 1971-2000 superficiale secondo i modelli Med-CORDEX
per il periodo 2021-2050. Periodo di
riferimento 1971-2000.Temperatura futura in Milano.
Milano-scenario RCP4.5: Surface Temp. 2021-2050 vs 1971-2000
Representative Concentration Pathways (RCPs) are
four greenhouse gas concentration (not emissions)
trajectories adopted by the IPCC for its fifth
Assessment Report (AR5) in 2014
Proiezione anomalia temperatura
Milano-scenario RCP8.5: Surface Temp. 2021-2050 vs 1971-2000 superficiale secondo i modelli Med-CORDEX
per il periodo 2021-2050. Periodo di
riferimento 1971-2000.Qualità dell’aria e cambiamento climatico
Aerosols: type/dimension
Nature doi:10.1038/nature.2014.15442
Due approcci: Year201 Jan2010
Chimica semplificata con 0 RCM RCM/FAR
M
interazioni
Chimica complessa senza
interazioni
Radiative transfer SW/LW
WRF
WRF/FAR
M
Cloud and Convection RCM
RCM-WRF RCM/FARM-
WRF/FARM
Turbolent diffusionQualità dell’aria e variazione climatica: SCENARIO
2050 FORZANTE CLIMATICO
Meteorologie climatiche sono meteorologie
statisticamente rappresentative di uno
scenario climatico.
Per ottenerle è necessario simulare
almeno 10 anni nell’intorno dell’anno di
riferimento per separare la variabilità inter- Emission Manager
annuale dal segnale di cambiamento
climatico.
Il modello usato è RegCM, (Giorgi et. al
2012) utilizzato anche nel Laboratorio di
Modellistica Climatica e Impatti della ACCIMP FARM
Divisione MET di ENEA nell’ambito
dell’iniziativa internazionale coordinata
Med-CORDEX.
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
36PM2.5 –variazione estiva con forzante climatico
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
37EC –variazione estiva con forzante climatico
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.
38Gabriele Zanini
gabriele.zanini@enea.it
Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.Puoi anche leggere
