STUDIO DEI TREND DI COMPOSTI CLIMALTERANTI PRESSO LA STAZIONE GLOBALE WMO-GAW DI MONTE CIMONE
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STUDIO DEI TREND DI COMPOSTI CLIMALTERANTI
Cambiamenti climatici
PRESSO LA STAZIONE GLOBALE WMO-GAW DI MONTE
CIMONE
Paolo Cristofanelli1,*, Michela Maione1,2, Angela Marinoni1, Jgor Arduini1,2,
Paolo Bonasoni1, Francescopiero Calzolari1, Francesco Furlani2, Umberto Giostra2,
Franceso Graziosi2, Tony Christian Landi1, Luca Naitza1,
Douglas Orsini1, Davide Putero1, Fabrizio Roccato1
1
Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima, Bologna.
2
Università di Urbino “Carlo Bo”, Dipartimento di Scienze Pure e Applicate, Urbino.
Sommario – L’osservatorio “O. Vittori”, gestito dal gions: continental Europe and Mediterranean basin.
Consiglio Nazionale delle Ricerche, è posto sulla vetta Due to its altitude and distance from important direct
del Mt. Cimone (44°12’ N, 10°42’ E, 2165 m s.l.m.), sources of pollution, the site is strategic for the study
il rilievo più alto dell’Appennino settentrionale, che of the physical and chemical characteristics of the free
separa due regioni climaticamente differenti: l’Europa troposphere in southern Europe and the Mediterranean
continentale e il bacino del Mediterraneo. Grazie alla basin. The observatory hosts several programs for
sua quota ed alla distanza da importanti fonti dirette di long-term observations of climate-altering chemical
inquinamento, il sito risulta strategico per lo studio species, in collaboration with a number of international
delle caratteristiche chimico-fisiche della libera tropo- partners, including: stratospheric ozone-depleting
sfera nel Sud Europa e del bacino del Mediterraneo. halocarbons, regulated by the Montreal Protocol, non-
Presso l’osservatorio sono attivi numerosi programmi CO2 greenhouse gases, included in Kyoto Protocol
di osservazione a lungo termine di specie chimiche basket, ozone and non-methane volatile organic com-
climalteranti, in collaborazione con numerosi partner pounds (NM-VOC), mineral aerosol and black carbon.
internazionali. In questo articolo saranno considerate: These activities are aimed at analysing long-term
alocarburi dannosi per l’ozono stratosferico regolati trends and to quantify and localize emission sources.
dal Protocollo di Montreal, gas serra non-CO2 inclusi The observed trends confirm the success of Montreal
nel paniere del Protocollo di Kyoto, ozono, composti Protocol but at the same time point to the persistence
organici volatili non-metanici, aerosol minerale e of unaccounted emissions from European regions.
black carbon. Tali studi sono finalizzati all’analisi degli Non-CO2 greenhouse gases included in Kyoto Protocol
andamenti a lungo termine e alla quantificazione e lo- show significant increasing trends, while downward
calizzazione delle sorgenti. Gli andamenti osservati tendencies are observed for atmospheric compounds
confermano il successo del Protocollo di Montreal ma regulated by European air quality directives. These ac-
al tempo stesso evidenziano la persistenza di emissioni tivities are within the scope of the World Meteorologi-
non dichiarate dal dominio Europeo. Trend in signifi- cal Organization (WMO) Global Integrated GIS Infor-
cativo aumento sono osservati per i gas serra non-CO2 mation System (IG3IS) initiative, an action that aims to
inclusi nel protocollo di Kyoto, mentre tendenze in di- improve the ability to quantify greenhouse gas emis-
minuzione sono osservate per alcuni composti normati sions to improve the quality of the existing inventories
dalle direttive Europee di qualità dell’aria. Queste at- and to support the implementation of International
tività rientrano pienamente negli scopi dell’iniziativa Protocols for climate change mitigation.
dell’IG3IS (Sistema Informativo Integrato Globale dei
Gas Serra) dell’Organizzazione Mondiale Meteorolo- Keywords: greenhouse gases, aerosol, SLCP, Montreal Pro-
tocol, Kyoto Protocol.
gica (WMO), un’azione che mira a migliorare le capa-
cità di quantificazione delle emissioni di gas serra per Ricevuto il 5-12-2017; Correzioni richieste il 17-1-2018; Accetta-
migliorare la qualità degli inventari di emissione at- zione finale il 4-5-2018.
tualmente in uso a sostegno dei Protocolli internazio-
nali.
1. INTRODUZIONE
Parole chiave: gas serra, aerosol, SLCP, Protocollo di Mon-
treal, Protocollo di Kyoto.
Il bacino del Mediterraneo rappresenta una delle
LONG-TERM TRENDS OF CLIMATE-
ALTERING SPECIES AT THE MT. CI- regioni più critiche a livello globale per quanto ri-
MONE WMO/GAW GLOBAL STATION guarda i cambiamenti climatici, la qualità dell’aria
ed i relativi impatti antropici. Sin dall’inizio degli
Abstract – The “O. Vittori” observatory, is located at
the summit of Mt. Cimone (44° 12 ‘N, 10° 42’ E, anni ’90 dello scorso secolo, vengono eseguite os-
2165 m a.s.l.), the highest peak in the Northern Apen- servazioni continuative di composti atmosferici cli-
nine and located at the boundary of two climatic re- ma-alternati ed inquinanti presso l’osservatorio at-
mosferico “O. Vittori”, una stazione di ricerca ge-
IdA
* Per contatti: Via Gobetti 101, 40129 Bologna. Tel. stita dal Consiglio Nazionale delle Ricerche
051.6399597; fax 051.6399652. p.cristofanelli@isac.cnr.it (CNR). Essa fa parte della rete Global Atmosphe-
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re Watch dell’Organizzazione Mondiale per la Me- 2. MATERIALI E METODI
Cambiamenti climatici
teorologia ed è ospitata presso le strutture della ba-
se operativa dell’Aeronautica Militare Italiana po- 2.1. Il sito di misura
sta sulla vetta del Monte Cimone (44°12’ N, L’osservatorio “O. Vittori “si trova sulla vetta del
10°42’ E, 2165 m s.l.m.). Grazie all’orizzonte li- Mt. Cimone, il rilievo più alto dell’Appennino set-
bero a 360°, alla sua quota ed alla distanza da im- tentrionale, posto sullo spartiacque di due regioni
portanti fonti dirette di inquinamento, Monte Ci- climaticamente differenti: l’Europa continentale
mone rappresenta una piattaforma strategica per (verso Nord) e il bacino del Mediterraneo (verso
studiare le caratteristiche chimico-fisiche della li- Sud), si veda la Figura 1. La pianura padana, una
bera troposfera nel Sud Europa e nel bacino del delle regioni più inquinate in Europa (Monks et al.,
Mediterraneo. Presso l’osservatorio, vengono svol- 2009) si trova, invece, immediatamente a Nord. Mt.
te osservazioni continuative di composti climalte- Cimone è caratterizzato da un orizzonte libero a
ranti (gas in tracce ed aerosol atmosferico), radia- 360° che consente alle masse d’aria di raggiungere
zione solare e parametri meteorologici. Le osser- il sito di misura senza forzature orografiche di ri-
vazioni su lungo termine qui condotte nell’ambito lievo. Come valutato nell’ambito del progetto GEO-
di diversi programmi e progetti internazionali di ri- MON (Henne et al., 2010), Mt. Cimone è ben rap-
ferimento (es. Global Atmosphere Watch, AGAGE presentativo delle masse d’aria atmosferiche del ba-
– Advanced Global Atmospheric Gases Experi- cino centrale del Mediterraneo (Figura 1). A di-
ment, ACTRIS- Aerosols, Clouds, and Trace gases stanza di diversi chilometri dal sito, non esistono
Research InfraStructure Network, ICOS – Integra- attività agricole e l’attività umana è molto limitata.
ted Carbon Observation Cycle) possono contribui- Come riportato da studi precedenti (si veda ad
re a definire la variabilità delle emissioni naturali esempio Bonasoni et al., 2000; Henne et al., 2010),
ed antropiche di composti inquinanti e climalte- le osservazioni atmosferiche effettuate presso Mt.
ranti, supportando agenzie nazionali e governative Cimone possono essere considerate rappresentative
nelle attività di verifica degli inventari di emissio- delle condizioni della libera troposfera del bacino
ni o dell’efficacia delle azioni di mitigazione delle del Mediterraneo/Sud Europa nei mesi freddi così
concentrazioni atmosferiche di tali specie, quindi
rappresentando un potenziale supporto al raggiun-
gimento degli obiettivi dell’Accordo di Parigi.
Questo articolo presenta una sintesi dei principali
risultati riguardanti lo studio di trend di composti
climalteranti condotti dal CNR-ISAC e dall’Uni-
versità di Urbino. In particolare, verranno descrit-
ti i risultati inerenti i gas serra “non-CO2” (rego-
lati dai Protocolli di Montreal e Kyoto), i gas re-
attivi (ozono e composti organici volatili non me-
tanici – NM-VOC) e due importanti componenti
dell’aerosol atmosferico (l’aerosol minerale ed il
black carbon). L’articolo è organizzato come se-
gue. Nella sezione 2 si descrivono il sito di misu-
ra, le metodologie utilizzate per l’osservazione dei
composti atmosferici studiati e le metodologie sta-
tistiche utilizzate nello studio dei trend. Nella se-
zione 3, per ogni composto atmosferico studiato,
sono forniti i risultati relativi alla quantificazione
della variabilità su lungo periodo (una descrizio-
Figura 1 – Bacino di raccolta delle masse d’aria per
ne generale dei composti studiati è fornita nel ma- Monte Cimone a 48 ore (contorno bian-
teriale supplementare). Infine, vengono discussi i co). La scala esprime il tempo di resi-
risultati ottenuti alla luce delle azioni internazio- denza (s) delle masse d’aria nelle diver-
se aree del dominio geografico. Le ela-
nali di regolamentazione delle emissioni di so- borazioni sono state ottenute dal model-
stanze inquinanti e climalteranti (sezione 4) e trac- lo di dispersione FLEXPART (risoluzio-
IdA
ciate le conclusioni derivanti dal lavoro svolto (se- ne orizzontale 0.5°x0.5°) (da www.geo-
zione 5). mon.empa.ch)
8 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 5 n. 1/2018
come durante i periodi notturni della stagione cal-
Cambiamenti climatici
da. Da aprile a settembre, tuttavia, il sito di misura
può essere influenzato da fenomeni di circolazione
in regime di brezza e da processi di trasporto con-
vettivo di masse d’aria che, assieme all’aumento
della quota dello strato limite planetario atmosferi-
co (planetary boundary layer, PBL), possono favo-
rire il trasporto verticale di masse d’aria dal PBL
regionale sino al sito di misura ed alla libera tropo-
sfera (Cristofanelli et al. al., 2009). Un’approfondita
descrizione meteorologica di Mt. Cimone viene for-
nita da Colombo et al. (2000): in questo articolo è
stato mostrato che Mt. Cimone è la stazione me-
teorologica più ventosa in Italia (occasionalmente
sono osservate velocità del vento superiori a 200
km/h), con direzioni prevalenti da S-SW e N-NE.
Ciò è evidente anche analizzando le osservazioni
del vento svolte dal 1996 al 2015 presso l’osserva-
torio “O. Vittori “ dal CNR (Figura 2).
2.2. Metodologie di misura
In questa sezione viene fornita una descrizione del-
le metodologie utilizzate presso l’osservatorio “O.
Vittori” per la misura dei gas ad effetto serra “non- Figura 2 – Frequenze stagionali delle velocità/dire-
CO2”, dei gas reattivi (composti organici volatili zioni dei venti a Monte Cimone (1996-
2015). Le velocità sono categorizzate in
non-metanici ed ozono) e di alcune componenti funzione negli intervalli riportati nella sca-
dell’aerosol atmosferico (aerosol minerale e black la colorata. I cerchi grigi mostrano inter-
carbon). Per facilitare il lettore, viene fornita una valli di frequenza del 5%
tabella riassuntiva delle tecniche e strumenti uti-
lizzati (Tabella 1). In questo paragrafo, viene inol-
tre fornita la descrizione delle diverse metodolo- porale di 2 ore) in gascromatografia (GC), uti-
gie statistiche utilizzate per la valutazione delle ten- lizzando due rivelatori differenti. Per l’analisi di
denze a lungo termine dei composti osservati e che gas alogenati si utilizza come rivelatore uno
saranno mostrate nella Sezione 2.2.5 spettrometro di massa (MS) quadrupolare.
L’analisi è preceduta dall’arricchimento del cam-
2.2.1. Gas ad effetto serra
pione in linea utilizzando materiale adsorbente.
A Mt. Cimone i gas serra “non-CO2” sono mi- A tale scopo, un GC-MS Agilent 6850-5975 è
surati in modo continuativo (con frequenza tem- stato dotato di dispositivo di autocampionamen-
Tabella 1 – Metodologie, strumenti, risoluzione temporale e (ove applicabile) scala di taratura adottata presso
l’Osservatorio “O. Vittori” di Monte Cimone per la misura dei composti oggetto del presente studio
Risoluzione
Composto Metodologia Strumentazione Scala di taratura adottata
temporale
Gas-cromatografia e
Gas serra “non-CO2” Agilent 6850-5975 2 ore AGAGE NOAA/CMDL
spettrometria di massa
Gas-cromatografia e
NM-VOC Agilent 6850-5975 2 ore NPL
spettrometria di massa
O3 Assorbimento UV Dasibi 1108 / Thermo 49i 1 minuto WMO SRP # 15
Riflessione della
Aerosol minerale OPC Grimm 1108 1 minuto Non applicabile
radiazione luminosa
IdA
Fotometria ad assorbimento
eqBC Thermo MAAP 5012 1 minuto Non applicabile
multi-angolare
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 5 n. 1/2018 9
to/preconcentrazione (Markes International, gati come medie su 60 minuti ai fini delle elabo-
Cambiamenti climatici
UNITY2-Air Server2). La pre-concentrazione razioni climatologiche.
viene raggiunta a bassa temperatura (-30 °C): per
2.2.4. Distribuzione dimensionale dell’aerosol (aero-
questo motivo il campione (sia per aria reale che
sol minerale)
per standard di lavoro) viene essiccato da una
provetta Nafion©. Per l’analisi di CH4 e N2O è A partire da agosto 2002, a Mt. Cimone viene os-
utilizzato un multi-rilevatore FID-ECD. Ulterio- servata in modo continuativo (risoluzione tempo-
ri dettagli possono essere reperiti in Maione rale: 1 minuto) la concentrazione del numero di
(2017). particelle di aerosol nella frazione “accumulaton”
(0.3 μm ≤ Dp < 1μm) e “coarse” (Dp ≥ 1μm) e la
2.2.2. Gas “reattivi” (ozono e composti organici vola-
loro distribuzione dimensionale (0.3-10 μm in 15
tili non-metanici)
classi dimensionali) attraverso un contatore ottico
A Mt. Cimone, misure di ozono (O3) superficiale di particelle (OPC 1.108 GRIMM). Secondo Pu-
sono state effettuate dal 1996 utilizzando la tecni- taud et al. (2004), l’identificazione dell’intervallo
ca dell’assorbimento UV. Dal 1996, l’analizzatore dimensionale delle particelle durante eventi di av-
UV (Daisibi 1108 W/GEN) è stato regolarmente vezione di sabbie Sahariane presenta un incertez-
calibrato (circa ogni 3 mesi) con uno standard di za pari al ± 20%.
trasferimento presente nel laboratorio (Dasibi 1008
2.2.5. Metodologie statistiche
PC fino al 2012, di seguito Thermo 49iPS). Nel-
l’ottobre 2006, il Dasibi 1008PC è stato tarato con Al fine di analizzare le variazioni su lungo perio-
lo standard primario IMGC-O3SRP presso l’Isti- do dei gas serra “non-CO2” e degli NM-VOC mi-
tuto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) di surati a Mt. Cimone, è stata applicata una meto-
Torino (certificato di calibrazione INRIM N. 06- dologia per identificare le osservazioni rappresen-
1009-01). A partire dal giugno 2008, ogni due an- tative delle condizioni di fondo della troposfera
ni, lo standard di laboratorio è stato quindi certifi- (da qui in poi definiti come “fondo”). Esse sono
cato tramite confronto con lo standard primario definite come l’insieme di osservazioni che non
SRP # 15 ospitato presso il World Calibration Cen- sono influenzate in modo significativo da emis-
ter del WMO/GAW presso i laboratori dell’EMPA sioni locali o regionali. Ciò è stato fatto imple-
(Zurigo). I dati sono ottenuti con una risoluzione mentando un approccio statistico, presentato da
temporale di 1 minuto e, tipicamente, aggregati co- Giostra et al. (2011) e Lo Vullo et al. (2016a), per
me medie su 60 minuti per le successive elabora- separare i contributi ascrivibili ad emissioni re-
zioni. centi da quelli appartenenti al fondo atmosferico.
Dal 2010, le osservazioni di 12 diversi composti I valori di fondo così ottenuti sono utilizzati per
organici volatili non-metanici (NM-VOC) sono ef- calcolare le medie mensili che compongono le se-
fettuate dall’Università di Urbino mediante la stru- rie a lungo termine da analizzare. Al fine della
mentazione GC-MS utilizzata per i gas serra alo- quantificazione dei trend, viene utilizzata un’in-
genati. terpolazione polinomiale in accordo con quanto
proposto da Simmonds et al. (2004). Per quanto
2.2.3. Black carbon equivalente (BC)
riguarda lo studio delle tendenze dell’O3 è stato
A partire da marzo 2007 sono eseguire misure con- applicato il metodo “Theil-Sen” alle medie men-
tinuative del coefficiente di assorbimento dell’ae- sili destagionalizzate: questo metodo è noto per
rosol, da cui si ricava la concentrazione di black essere una metrica robusta rispetto alla presenza di
carbon equivalente (di seguito “BC”). Esse sono “outliers” nella serie di dati (Carlsaw e Ropkins,
ottenute attraverso un fotometro ad assorbimento 2012).
multi-angolare (MAAP 5012, Thermo Electron Al fine di identificare gli eventi di trasporto di pol-
Corporation). La misura si basa sulla quantifica- veri desertiche verso Mt. Cimone, sono stati sele-
zione della riduzione della trasmissione di un fa- zionati i giorni caratterizzati da un aumento stati-
scio di radiazione luminosa a 670 nm a causa del- sticamente significativo del valore medio giorna-
l’assorbimento delle particelle di aerosol deposi- liero della frazione “coarse” dell’aerosol, in asso-
tate su un filtro, tenendo conto degli effetti di ri- ciazione con masse d’aria provenienti dalla regio-
flessione del segnale luminoso (maggiori dettagli ne del Nord Africa, come dedotto dall’analisi di re-
IdA
in Petzold et al., 2002). I dati, ottenuti come valo- tro-traiettorie 3D calcolate attraverso il modello
ri medi su 1 minuto, sono successivamente aggre- FLEXTRA (Stohl et al., 1995). La frazione gros-
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solana, o “coarse”, dell’aerosol atmosferico può in-
Cambiamenti climatici
Tabella 2 – Valori dei trend valutati a Mt. Cimone per
fatti essere considerata un efficiente tracciante del- i diversi composti analizzati. I valori indi-
la presenza di aerosol di origine minerale nell’at- cati da “*” sono significativi al 95%
(p
3.1.2. Halon denziata una diminuzione degli episodi di picco nel
Cambiamenti climatici
I valori medi di H-1211 e H-1301 misurati a Mt. periodo 2008-2009, mentre un aumento di tali epi-
Cimone nel periodo 2002-2016 sono rispettiva- sodi è avvenuto nel 2010-2011, cioè dopo la com-
mente di 4.3 ppt e 3.3 ppt. In accordo con le con- pleta (teorica) eliminazione degli usi consentiti
centrazioni medie globali, lo H-1211 sembra aver (Maione et al., 2013): ciò farebbe supporre un uti-
iniziato un declino costante a partire dal 2005 ed at- lizzo massiccio e non dichiarato delle scorte anco-
tualmente il suo trend atmosferico è -1.5% anno-1. ra esistenti nella regione Mediterranea.
Lo H-1301 mostra una tendenza pari a + 0.7% an-
no-1, ma senza accelerazione a partire dal 2010, 3.2. Specie regolate dal protocollo di Kyoto
suggerendo che il picco di concentrazione a scala
globale sia stato probabilmente raggiunto. Sebbe- 3.2.1. HFC-134a
ne i composti alogenati siano stati banditi in Euro- La concentrazione media dello HFC-134a a Mt. Ci-
pa dal 1994, a Mt. Cimone, l’occorrenza di eventi mone è pari a 61.5 ppt dal 2002, con un trend in au-
caratterizzati da concentrazioni al di sopra della li- mento pari al 7.6% anno-1.
nea di base suggerisce la presenza di emissioni a
3.2.2. HFC-32, HFC-125, HFC-143a
scala regionale, anche se gli episodi di inquina-
mento sono diminuiti in frequenza nel corso degli I valori di fondo osservati a Mt. Cimone sono pa-
ultimi anni. ri a 8.6 ppt, 10.2 ppt e 13.6 ppt per lo HFC-32, lo
HFC-125 e lo HFC-143a. Ben riflettendo l’anda-
3.1.3. HCFCs
mento a livello globale, questi tre HFC mostrano
Le concentrazioni medie a Mt. Cimone sono 209.1, una chiara tendenza crescente (17%, 13.6% e 9.5%,
25.6 e 23.0 ppt per lo HCFC-22 (periodo 2002- rispettivamente). Secondo Graziosi et al. (2017), le
2016), lo HCFC-141b (2012-2016) e lo HCFC- loro emissioni rappresentano (in massa) più di un
142b (2008-2016) con tendenze di +2.8, +8.4 e + terzo del totale degli HFC emessi in Europa ed, a
1.5% anno-1. causa dell’elevato potenziale di riscaldamento glo-
bale (Global Warming Potential – GWP: misura di
3.1.4. Metil-cloroformio (CH3CCl3)
quanta energia 1 ton di gas assorbe in un certo pe-
Il valore medio di concentrazione in atmosfera a riodo temporale rispetto ad 1 ton di CO2) dello
Mt. Cimone è pari a 12.6 ppt, con una tendenza de- HFC-143a, quasi due terzi del potere “serra”
crescente dal 2002 pari a -15.8% anno-1. La pre- (espresso come CO2 equivalente) di tutti gli HFC
senza di eventi di incremento delle concentrazioni nel periodo 2008-2014.
di CH3CCl3osservate a Mt. Cimone ed in altri siti
3.2.3. HFC-152a
Europei, tuttavia, suggerisce la presenza di emis-
sioni non dichiarate in Europa. La sua concentrazione media di fondo a Mt. Ci-
mone è pari a 8.5 ppt con una tendenza in aumen-
3.1.5. Tetracloruro di carbonio(CCl4), metil-cloruro
to pari al 6.3% dal 2002 al 2016. A causa del bas-
(CH3Cl) e metil-bromuro (CH3Br)
so GWP, il contributo medio percentuale in termi-
Il CCl4 viene misurato a Mt. Cimone dal 2006: la ni di CO2 equivalente dello HFC-152a alle emis-
concentrazione media di fondo è 86.7 ppt con una sioni complessive di HFC Europee è pari allo 0.6%
tendenza pari a -1.2% anno-1. Attualmente, il Pro- nel periodo 2008-2014 (Graziosi et al., 2017).
tocollo di Montreal vieta l’emissione di CCl4 ma la
3.2.4. HFC-245fa e HFC-365mfc
produzione e l’uso sono ancora consentiti per spe-
cifici processi. Ciò può dar luogo a rilasci involon- Lo HFC-245a è misurato a Mt. Cimone dal 2011
tari che assieme alle emissioni che possono avve- con una concentrazione media di 2.3 ppt ed un
nire in vecchie discariche, rappresentano le princi- trend crescente del 9.3% anno-1 (Graziosi et al.
pali emissioni antropiche oggi esistenti. Il CH3Cl è 2017). Lo HFC-365mfc viene misurato dal 2007:
misurato a CMN dal 2002 e mostra una concentra- la sua concentrazione media è pari a 0.9 ppt, con
zione media di fondo pari a 546.2 ppt, con un trend un trend pari a 6.6% anno-1.
non significativo di 0.1% anno-1. Le osservazioni di
3.2.5. HFC-227ea e HFC-236fa
CH3Br a Mt. Cimone hanno avuto inizio nel 2002:
la concentrazione media di fondo è pari a 8.2 ppt ed Le osservazioni di HFC-227ea sono iniziate nel
IdA
il trend è pari a -1.5% anno-1. Come conseguenza 2010 a Mt. Cimone; la concentrazione media è pa-
dell’applicazione del MP, a Mt. Cimone è stata evi- ri ad 1 ppt, con un trend del 10% anno-1.
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Cambiamenti climatici
Figura 5 – Serie temporale dei valori medi mensili de-
stagionalizzati dell’O3 a Mt. Cimone.
L’analisi del trend è riportata dalla linea
rossa con l’intervallo di confidenza al 95%
rappresentato dalle linee tratteggiate. In
alto è riportato il valore del trend con l’in-
tervallo di confidenza al 95%
Figura 4 – Serie temporale di fondo dei composti in-
clusi nel Protocollo di Kyoto e misurati a
Mt. Cimone (modificato da Maione,
2017) sono state messe in evidenza tendenze lineari po-
sitive (livello di confidenza del 95%) per i valori
medi mensili, come per il 25° e per il 75° percen-
Lo HFC-236fa è invece osservato a Mt. Cimone tile. Considerando il periodo per cui si hanno os-
dal 2011. Le concentrazioni medie sono pari a 0.2 servazioni continuative presso l’Osservatorio CNR
ppt, con un reteo di crescita di 13.3% anno-1. “O. Vittori” (1996 -2011), invece, non sono stati
Altri gas serra fluorurati monitorati a Mt. Cimone rilevati trend significativi, in accordo con simili os-
includono il PFC-218, il PFC-318 e lo SO2F2, le servazioni in altre stazioni di alta montagna in Eu-
cui serie temporali e le tendenze sono riportate in ropa (ad esempio Gilge et al., 2010; Parrish et al.,
Figura 4. 2012) e nel bacino del Mediterraneo (Kleanthous
et al., 2014; Saliba et al., 2008). Tuttavia, conside-
3.2.6. Metano e protossido di azoto
rando il periodo 1991-2011, è stato messo in luce
Le misure di CH4, il gas serra più importante dopo un rallentamento dell’incremento di O3 in tutte le
la CO2, sono iniziate nel 2008, con una concentra- stagioni. Per il solo periodo estivo, una significati-
zione media nel periodo 2008-2016 di 1881.5 ppb va decelerazione del trend è rilevabile anche per il
ed un trend crescente di 9.3 ppb anno-1. Nello stes- periodo 1996-2011. Ciò potrebbe riflettere la di-
so periodo, le concentrazioni medie di N2O sono minuzione delle emissioni di precursori di O3 in
state pari a 326.5 ppb, con una tendenza crescente Europa (si veda i risultati per gli NM-VOC, di se-
di 0.8 ppb anno-1, che è il medesimo tasso di cre- guito riportati), considerando in particolare che,
scita registrato a scala globale da Carpenter e Rei- specialmente durante l’estate, l’Appennino setten-
mann (2014). trionale può essere esposto al trasporto di masse
d’aria dal PBL regionale e continentale (si vedano
3.3 Gas reattivi Cristofanelli et al., 2007; 2013).
Al fine di estendere i risultati sopra descritti, con
3.3.1 Ozono l’obiettivo di studiare la tendenza dell’O3 a Mt. Ci-
Prendendo in considerazione anche misure effet- mone nel periodo 1996-2013. Il metodo Theil-Sen
tuate dal 1991 al 1993, presso l’Osservatorio del- è stato applicato ai valori mensili destagionalizza-
l’Aeronautica Militare, Cristofanelli et al. (2015) ti di O3 a Mt. Cimone (Figura 5): ciò ha permesso
IdA
hanno valutato il trend su lungo termine dell’ O3 di mettere in luce, per l’intero periodo di osserva-
dal 1991 al 2011. Su questo intervallo temporale zioni, una tendenza negativa (significativa al li-
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 5 n. 1/2018 13
vello di confidenza del 99%) pari a -0.18 ± 0.7 nella distribuzione di gas naturale, mentre il ben-
Cambiamenti climatici
ppb anno-1. zene è un sottoprodotto della combustione incom-
pleta di altri idrocarburi presenti nei combustibili
3.3.2. NM-VOC antropici
fossili. I paesi europei hanno adottato normative
I valori medi dei dodici NM-VOC (Non-Metha- severe sull’uso del benzene. L’assenza di tendenze
ne Volatile Organic Compounds) monitorati a Mt. statisticamente significative a Mt. Cimone è in ac-
Cimone sono riportati nella Tabella 3. La media cordo con osservazioni simili condotte da Grant et
è stata effettuata sia per l’intero set di dati che al. (2011) presso la stazione remota di Mace Head
per la selezione dei dati di “fondo” (si veda Se- (Irlanda).
zione 2.2.5). Come riportato da Lo Vullo et al. Per i dati rappresentativi delle condizioni di “fon-
(2016a,b), i valori medi di NM-VOC sono in do”, invece, non sono state segnalate diminuzioni
buon accordo con quelli riportati in altri siti re- significative per i butani e per l’i-pentano, mentre
moti in Europa. Nel periodo 2010-2014, i valori l’n-pentano è diminuito del -5.7% per anno. Ciò
massimi osservati sono quelli del propano, men- indicherebbe che l’n-pentano è influenzato anche
tre per l’etil-benzene e per gli xileni (altamente da fonti di emissione diverse rispetto a quelle de-
reattivi) sono state osservate le concentrazioni gli altri composti (principalmente l’evaporazione
più basse. Tra i composti aromatici, il benzene è della benzina per autoveicoli). Per il toluene, usa-
il più abbondante, seguito da toluene, etil-benze- to come solvente industriale, si evince una tenden-
ne e xileni. za negativa, ma non statisticamente significativa.
Le tendenze sui 5 anni di osservazioni degli NM- Essa potrebbe comunque riflettere l’effetto della
VOC (Tabella 2) sono state valutate da Lo Vullo et direttiva sulle emissioni di VOC (direttiva europea
al. (2016a) nel periodo 2010-2014, utilizzando il 1999/13/CE) sulla limitazione dell’utilizzo di NM-
test non parametrico di Mann-Kendall sull’intero VOC nei solventi organici. In condizioni di “fon-
set di dati e sulla selezione dei dati per le condi- do”, l’etil-benzene, utilizzato come solvente nelle
zioni di “fondo” (vedere la Sezione 2.5). Nel pe- vernici e nei rivestimenti ma anche emesso dal traf-
riodo 2010-2014, l’acetilene ha mostrato una di- fico veicolare, ha mostrato un calo significativo
minuzione del -2.7% anno-1, che è coerente con dell’8.7% per anno. Nessuna variazione significa-
l’applicazione delle misure di riduzione delle emis- tiva è stata osservata per gli xileni nel periodo in-
sioni dei veicoli a motore applicate dalla UE. Non vestigato.
si osservano, invece, tendenze significative per il
propano ed il benzene in condizioni “di fondo”. Il 3.4. Aerosol atmosferici (aerosol minerale e
propano viene emesso principalmente da perdite black carbon)
In atmosfera anche gli aerosol giocano un ruolo
Tabella 3 – Valori medi degli NM-VOC a Mt. Cimone importante nell’influenzare il clima. Lo fanno in
per l’intero set di dati (“All-data”) e per la modi diversi, essendo responsabili sia del riscal-
selezione in condizioni di fondo (“Fondo”) damento che del raffreddamento del pianeta, in
per il periodo 2010-2014. (modificato da
Lo Vullo et al., 2016a) funzione della composizione chimica che li carat-
terizza, come esplicitato di seguito.
2010-2014 2010-2014 3.4.1 Studio degli eventi di trasporto di aerosol mine-
Composto
“Fondo” (ppt) “All-data” (ppt)
rale
Acetilene 115 185
Propano 291 406 Con l’obiettivo di indagare le variazioni a lungo ter-
Benzene 57 89 mine dell’occorrenza di eventi di trasporto di aero-
i-Butano 49 73 sol minerale dal Nord Africa a Mt. Cimone, sono
n-Butano 90 139 stati calcolati i valori stagionali medi annuali del nu-
i-Pentano 49 84 mero di giorni interessati da tali eventi e della con-
n-Pentano 23 42
centrazione delle particelle grossolane (Figura 6). In
generale, non è stato possibile osservare tendenze
Toluene 33 109
sistematiche su lungo periodo, né riguardo alla fre-
Etil-benzene 7 15
quenza o distribuzione stagionale di tali eventi, né
IdA
o-Xylene 5 19
ala loro intensità, anche se per tali parametri è pre-
m+p- Xylene 12 38
sente un’evidente variabilità inter-annuale.
14 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 5 n. 1/2018
Cambiamenti climatici
Figura 6 – Serie temporale dei valori medi stagionali della concentrazione di particelle grossolane (linea rossa)
e della frequenza stagionale di giorni con eventi di trasporto di aerosol minerale del Nord Africa (bar-
re) a Mt. Cimone (modificato da Duchi et al., 2016)
Con l’obiettivo di attribuire parte di questa varia- l’indice NAO e l’occorrenza di eventi di trasporto
bilità inter-annuale, sono state analizzate le corre- di aerosol minerale dal Nord Africa, potrebbe es-
lazioni esistenti fra l’indice NAO (North Atlantic sere legata all’espansione dell’anticiclone delle Az-
Oscillation), il numero di giorni interessati da zorre verso l’Africa occidentale ed il bacino del
eventi di trasporto e la concentrazione del nume- Mediterraneo durante le fasi positive della NAO,
ro delle particelle grossolane durante gli eventi che favorirebbe il trasporto di masse d’aria del
identificati a Mt. Cimone. L’indice NAO stagio- Nord Africa verso l’Italia settentrionale.
nale è stato calcolato sulla base dei valori mensi-
3.4.2. Black carbon
li disponibili presso il centro dati della NOAA –
National Oceanic and Atmospheric Administration Al fine di studiare la variabilità su lungo periodo
(http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/pre- del BC (periodo 2005-2013), è stata applicata alla
cip/CWlink/pna/nao.shtml): un valore positivo (ne- serie storica dei dati medi mensili la medesima me-
gativo) indica la presenza di un gradiente di pres- todologia adottata per lo studio dei trend dell’O3
sione più intenso (più debole) tra la bassa pressio- (metodo “Theil-Sen”): nonostante un’evidente va-
ne islandese e l’anticiclone subtropicale sul- riabilità interannuale, Putero e Landi (2017), han-
l’Atlantico settentrionale. Questa analisi ha per- no messo in evidenza una tendenza negativa stati-
messo di mettere in evidenza una debole correla- sticamente significativa di -0.17 μg m-3 anno-1 (Fig.
zione positiva (significativa al 90%) tra l’indice 7).
NAO e la frequenza di eventi in primavera (R2:
0.32), mentre una debolissima tendenza positiva 4. DISCUSSIONE
(non statisticamente significativa, pCambiamenti climatici
Figura 7 – Serie temporale dei valori medi mensili de-stagionalizzati del black carbon a Mt. Cimone. L’analisi
del trend è riportata dalla linea rossa con l’intervallo di confidenza al 95% rappresentato dalle linee
tratteggiate. In alto è riportato il valore del trend con l’intervallo di confidenza al 95% (modificato
da Putero e Landi, 2017)
Tuttavia, la presenza di eventi di incremento dei circa il 26%. L’inversione è stata anche in grado
valori di alcuni di questi composti (es. CFC-115, di consentire la localizzazione di importanti emis-
CFC-11, CFC-12, H-1211, H-1301, CH3Br, MCF) sioni puntuali nel Sud della Francia, nell’Inghil-
suggerisce la persistenza di emissioni nella regio- terra centrale (UK) e nel BE-NE-LUX (Belgio,
ne Europea. Paesi Bassi, Lussemburgo), probabilmente come
Gli HCFC, la prima generazione di composti so- conseguenza della produzione industriale di pro-
stituti dei CFC, mostrano ancora tendenze in au- dotti chimici di base.
mento a Mt. Cimone come conseguenza delle
emissioni globali, soprattutto nell’Asia orientale. 4.2. Specie regolate dal Protocollo di Kyoto
Usando i dati di Mt. Cimone e della stazione di
Mace Head (Irlanda), Graziosi et al. (2015) han- Le osservazioni condotte a Mt. Cimone, sono sta-
no valutato che il massimo delle emissioni in Eu- te utilizzate da diversi studi per quantificare le
ropa è stato raggiunto nel 2003 per il più abbon- emissioni dello HFC-134a a scala globale e conti-
dante degli HCFC (HCFC-22). La frazione più nentale (es. Stohl et al., 2009; Keller et al., 2012;
importante delle emissioni Europee è stata attri- Lunt et al., 2015). Un recente studio (Graziosi et
buita a due regioni: la Francia ed una vasta area al., 2017) suggerisce che, complessivamente, nel
nell’Europa dell’Est. E’ stato inoltre messo in evi- periodo 2003-2014 le emissioni europee siano in-
denza un ciclo stagionale nelle emissioni Europee feriori del 25% rispetto agli inventari UNFCCC,
con un massimo negli Stati mediterranei del Sud suggerendo che le emissioni riportate dai paesi eu-
Europa, probabilmente ascrivibile ad un uso in- ropei all’UNFCCC siano influenzate da una so-
tensivo di impianti di refrigerazione e condizio- vrastima dei fattori di emissione. Ciò è particolar-
namento nelle stagioni calde. Un recente studio mente evidente per la regione scandinava, il Re-
che ha anche utilizzato le osservazioni di Mt. Ci- gno Unito e la Germania. L’unica eccezione è l’Ita-
mone (Maione et al., 2014) ha messo in luce (nel lia che ha riportato emissioni pari a due terzi delle
periodo 2002-2012) la presenza di emissioni si- stime ottenute a partire dai dati atmosferici. Ciò è
gnificative di MCF nella Francia sudorientale, do- probabilmente dovuto a diversi fattori di emissio-
ve sono presenti discariche, impianti di smalti- ne utilizzati dall’Agenzia italiana (ISPRA) incari-
mento dei rifiuti ed impianti industriali per la pro- cata della compilazione dell’inventario. A diffe-
duzione di composti alogenati. Per quanto riguar- renza degli inventari UNFCCC, tuttavia, le emis-
da il CCl4, Graziosi et al. (2016) hanno valutato sioni annuali derivate dall’inversione dei dati at-
che le emissioni medie europee per il periodo mosferici, non mostrano una tendenza statistica-
2006-2014 sono state pari a 2.2 (± 0.8) Gg anno-1, mente significativa sul lungo periodo. In base a
con un trend medio decrescente del 6.9% all’an- questo studio, le emissioni di HFC-134a rappre-
no. Questo studio ha identificato la Francia come sentano il 47.1% delle emissioni totali (in massa)
IdA
la principale fonte di emissioni europee, con un di HFC in Europa ed il 30.3% della forzatura ra-
contributo medio alle emissioni totali europee di diativa (espressa come CO2 equivalente), nel pe-
16 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 5 n. 1/2018riodo 2008-2014. Lo stesso studio ha mostrato che, za di questa tipologia di eventi nella sola stagione
Cambiamenti climatici
nel complesso, HFC-32, HFC-125, HFC-143a, rap- primaverile. Seppure in parziale contraddizione
presentano oltre 1/3 (in massa) delle emissioni di con studi precedenti che suggerivano una correla-
HFC e, a causa dell’elevato GWP dello HFC-143a, zione più robusta fra la variabilità della NAO e
circa 2/3 del loro potere radiativo espresso nel pe- l’occorrenza di eventi di trasporto di aerosol mi-
riodo 2008-2014. La stima delle loro emissioni a nerale nel bacino centrale del Mediterraneo (es.
partire dalle osservazioni atmosferiche Europee ap- Pey et al., 2013), considerando il ruolo dell’aero-
pare in linea con gli inventari sottomessi alla sol minerale sulla qualità dell’aria (es. Zauli-Saja-
UNFCCC. Un buon accordo con gli inventari si ha ni et al., 2011), sulla chimica della troposfera (Bo-
anche per lo HFC-245fa e lo HFC-227ea. Un evi- nasoni et al., 2004; Duchi et al., 2016) e sul bilan-
dente disaccordo si evince invece per lo HFC- cio radiativo atmosferico (IPCC, 2013), questo ri-
365mfc e lo HFC-236fa per i quali gli inventari sultato appare di sicuro interesse, soprattutto alla
UNFCCC sono di 3 volte e del 50% inferiori ri- luce dei cambiamenti climatici e della variazione
spetto alle stime ottenute tramite inversione di da- dei regimi meteorologici a larga scala che riguar-
ti osservativi. dano l’area del Mediterraneo.
Per quanto riguarda le concentrazioni medie di
4.3. Gas reattivi black carbon, importante inquinante e clima-alte-
rante, in accordo con altri parametri che possono
Per quanto riguarda l’O3, le analisi continuative essere considerati “traccianti” dell’inquinamento
portate avanti a Mt. Cimone hanno messo in evi- antropico (es. O3, NM-VOC), a Mt. Cimone si os-
denza come la significatività e le tendenze dei servano tendenze verso una diminuzione. Questo
trend siano fortemente dipendente dal periodo di risultato appare in accordo con studi indipendenti
studio preso in considerazione. Ciò non è sor- condotti nella regione della Pianura Padana (es. Bi-
prendente considerando la forte variabilità inter- gi e Ghermandi, 2016; Putaud et al., 2014) e che
annuale che caratterizza questo composto atmo- mostrano tendenze negative per la concentrazione
sferico. Mentre nel periodo 1991-2012 si eviden- delle particelle fini e dell’aerosol che assorbe la lu-
zia una crescita dei livelli di ozono in tutte le sta- ce solare (di cui il black carbon rappresenta una
gioni a Mt. Cimone, se si considera il periodo frazione), probabilmente legate alle politiche eu-
1996-2013, si osservano trend in diminuzione (sia ropee per il contenimento delle concentrazioni di
sulle medie annuali che stagionali) per l’O3. Ciò PM10.
sembra essere in buon accordo con le osservazio-
ni di NM-VOC condotte a Mt. Cimone dal 2010. 5. CONCLUSIONI
In generale, per tali composti, si assiste a tenden-
ze in diminuzione delle concentrazioni nel perio- L’osservatorio “O. Vittori” è un’infrastruttura di
do 2010-2015, con significatività statistiche che ricerca gestita dall’Istituto CNR-ISAC ed ospita-
variano a seconda della modalità di selezione dei ta presso le strutture della base operativa del
dati (“tutti i dati” vs “condizioni di fondo”) e del CAMM dell’Aeronautica Militare Italiana, presso
composto considerato. la vetta di Mt. Cimone (2165 m slm). Esso rap-
presenta una piattaforma strategica ed è ideale per
4.4. Aerosol atmosferico lo studio della variabilità della composizione del-
l’atmosfera nel Sud Europa e nel bacino del Me-
In questo articolo abbiamo mostrato i risultati per diterraneo, rappresentando l’unica stazione glo-
due tipologie di aerosol atmosferico osservate a bale del programma GAW dell’Organizzazione
Mt. Cimone: l’aerosol minerale ed il black carbon Mondiale Meteorologica (WMO) attualmente at-
equivalente. Per il primo, sulla base degli studi tiva in queste regioni. L’esecuzione di osserva-
condotti (es. Duchi et al., 2016), non è stato possi- zioni continuative di un vasto numero di variabi-
bile mettere in evidenza chiare tendenze a lungo li climatiche essenziali (ECV) riguardanti la com-
termine né in termini del quantitativo di particelle, posizione dell’atmosfera nell’ambito di progetti e
né sulla frequenza di eventi di trasporto associati programmi internazionali di ricerca forniscono in-
alla mobilizzazione di aerosol desertico dal Nord formazioni cruciali per rivelare la crescita dei li-
Africa. Tuttavia, è stato possibile mettere in evi- velli atmosferici di queste specie e l’efficacia del-
IdA
denza una possibile relazione fra la variabilità del- le azioni di mitigazione messe in atto a livello na-
la North Atlantic Oscillation (NAO) e la frequen- zionale ed internazionale. L’attività di ricerca sui
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 5 n. 1/2018 17gas serra non-CO2, comprende l’osservazione di Carslaw D.C. e Ropkins K. (2012). Openair – an R package
Cambiamenti climatici
for air quality data analysis. Environmental Modellng &
un’ampia gamma di composti osservati in modo Software, vol. 27-28, 52-61.
continuativo, nella maggior parte dei casi, da più
di un decennio. L’analisi di questi dati utilizzan- Carpenter L.J. e Reimann S. (Lead Authors) et al. (2014) Ozo-
ne-Depleting Substances (ODSs) and Other Gases of Inte-
do anche tecniche di modellistica inversa ha per- rest to the Montreal Protocol, Chapter 1 in Scientific As-
messo di fornire stime di emissione a livello re- sessment of Ozone Depletion, Global Ozone Research and
Monitoring Project – Report No. 55. Geneva: World Me-
gionale (Europeo e nazionale) di tali composti. teorological Organization.
Questa ricerca costituirebbe, se adeguatamente
considerata e supportata a livello decisionale, un Colombo T., Santaguida R., Capasso A. et al. (2000) Bio-
spheric influence on carbon dioxide measurements in Ita-
importante supporto per migliorare i dati sulle ly. Atmospheric Environment, vol. 34, 4963-4969.
emissioni (ottenute tramite approcci “bottom-up”)
Cristofanelli P., Bonasoni P., Carboni G. et al. (2007) Ano-
che ogni paese è tenuto a presentare ogni anno malous high ozone concentrations rec-orded at a high
nell’ambito della UNFCCC (Convenzione Qua- mountain station in Italy in summer 2003. Atmospheric En-
dro delle Nazioni Unite sui Cambiamenti Clima- vironment, vol. 41, 1383-1394.
tici). Tale attività rientra pienamente nell’ambito Cristofanelli P., Marinoni A., Arduini J. et al. (2009) Signifi-
dell’IG3IS (Sistema Informativo Integrato Globa- cant variations of trace gas composition and aerosol pro-
le dei Gas Serra) della WMO, un’azione che mi- perties at Mt. Cimone during air mass transport from North
Africa – contributions from wildfire emissions and mine-
ra a migliorare le capacità di quantificazione del- ral dust. Atmospheric Chemistry and Physics, vol. 9, 4603-
le emissioni di gas serra per migliorare la qualità 4619.
degli inventari di emissione attualmente in uso. Cristofanelli P., Fierli F., Marinoni A. et al. (2013) Influence
Le osservazioni condotte a Mt. Cimone rivelano of biomass burning and anthropogenic emissions on ozo-
la chiara efficacia del Protocollo di Montreal nel- ne, carbon monoxide and black carbon at the Mt. Cimone
GAW-WMO global station (Italy, 2165 m a.s.l.). Atmo-
la mitigazione delle emissioni di sostanze attive spheric Chemistry and Physics, vol. 13,15-30.
dal punto di vista radiativo e dannose per l’O3
Cristofanelli P., Scheel H.-E., Steinbacher M. et al. (2015)
stratosferico, mettendo nel contempo in evidenza Long-term surface ozone variability at Mt. Cimone
alcune significative deviazioni dal completo ri- WMO/GAW global station (2165 m a.s.l., Italy). Atmo-
spetto del protocollo. La recente inclusione degli spheric Environment, vol. 101, 23-33.
HFC fra le specie regolate dal Protocollo di Mon- Duchi R., Cristofanelli P., Landi T.C. et al. (2016) Long-term
treal rappresenta una concreta possibilità di ri- (2002-2012) investigation of Sa-haran dust transport events
at Mt. Cimone GAW global station, Italy (2165 m a.s.l.).
durre le emissioni di questi potenti gas serra en- Elementa – Science of Anthropocene, doi: 10.12952/jour-
tro il 2040. nal.elementa.000085.
Misure di elevata qualità di O3 e NM-VOC hanno
Gilge S., Plass-Duelmer C., Fricke W., et al. (2010) Ozone,
permesso di mettere in evidenza tendenze in dimi- carbon monoxide and nitrogen oxides time series at four al-
nuzione per questi composti, in buon accordo con pine GAW mountain stations in central Europe. Atmo-
osservazioni simili condotte in siti remoti/di fondo spheric Chemistry and Physics, vol. 10, 12295-12316.
Europei. Assieme alla diminuzione osservata per i Giostra U., Furlani F., Arduini J. et al. (2011) The determina-
valori medi del black carbon, questo sembrerebbe tion of a regional atmospheric back-ground mixing ratio
for anthropogenic greenhouse gases: a comparison of two
riflettere l’effetto delle misure messe in atto a li- independent methods. Atmospheric Environment, vol. 45,
vello regionale per la mitigazione di composti dan- 7396-7405.
nosi per la qualità dell’aria.
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IdA
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Ingegneria dell’Ambiente Vol. 5 n. 1/2018 19INGEGNE RIA
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