I modelli di qualità dell'aria

ARIA - Modellistica - I modelli di qualità dell'aria

I modelli di qualità dell’aria sono strumenti che permettono di stimare le concentrazioni degli inquinanti in atmosfera; la loro applicabilità è fortemente condizionata dalle caratteristiche del singolo modello, dalla specificità del fenomeno che si deve descrivere e dalla disponibilità di informazioni di ingresso.
In generale, i modelli matematici per la qualità dell’aria possono essere suddivisi, in funzione dell’approccio analitico adottato, in deterministici e stocastici (o statistici).
I modelli deterministici descrivono quantitativamente i fenomeni che determinano l’evoluzione spazio-temporale della concentrazione degli inquinanti in atmosfera, affrontando il problema della dispersione con livelli di complessità differenti in funzione delle informazioni disponibili e delle finalità dello studio. In generale comunque si basano sulle relazioni di causa-effetto che esistono fra le emissioni e la meteorologia (le cause) da un lato e le concentrazioni in aria (l’effetto) dall’altro per fornire i valori assunti dagli inquinanti nei diversi punti dell’area sulla quale sono applicati.
Per semplificare la descrizione dei numerosi modelli che rientrano in questa categoria è possibile far riferimento al loro livello di complessità e, quindi, al numero di fenomeni di cui tengono conto nel calcolo delle concentrazioni atmosferiche. Da questo ne derivano i possibili ambiti applicativi e la complessità delle informazioni necessarie per il funzionamento dei modelli stessi.
Una prima suddivisione è quella che tiene conto delle modalità di descrizione dell’evoluzione temporale dell’inquinamento atmosferico; i modelli stazionari seguono ad esempio un approccio semplificato, considerando una sequenza di stati quasi-stazionari per la descrizione della dispersione in atmosfera di una o più sostanze. Si tratta di strumenti molto utilizzati per la loro semplicità ed economicità d’impiego, che costituiscono (quando correttamente applicati) un valido strumento di primo approccio per lo studio di realtà non particolarmente complesse.
Un altro possibile modo di classificare i modelli è basato sulla scala spaziale di applicazione degli stessi, ossia la distanza dalla sorgente entro la quale il modello è in grado di descrivere il fenomeno della dispersione. Si parla in questo caso di modelli a scala locale, mesoscala o regionale, a seconda che descrivano fenomeni in aree che vanno dalla decina di chilometri, al centinaio, fino al migliaio di chilometri.
Distinguiamo ancora i modelli in funzione della loro capacità di descrivere le reazioni che avvengono fra le diverse sostanze presenti in atmosfera (modelli fotochimici, in grado di stimare le concentrazioni sia degli inquinanti primari sia dei secondari quali, fra gli altri, ozono, biossido di azoto, frazione secondaria del particolato PM10 e PM2.5) o di considerare gli inquinanti come inerti (cioè non reattivi), dalla modalità di descrizione spaziale del fenomeno (modelli Euleriani, Lagrangiani, bidimensionali, tridimensionali), dagli algoritmi matematici impiegati nella descrizione di un fenomeno, ecc.

I modelli stocastici invece prevedono le concentrazioni a partire non dalle relazioni di causa-effetto, ma analizzando, con tecniche statistiche di varia complessità, la struttura del processo spazio-temporale sottostante ai dati misurati in una rete di monitoraggio  (di qualità dell'aria o meteorologica) nel passato.

Arpa Piemonte utilizza prevalentemente modelli di tipo deterministico, in funzione dei diversi ambiti applicativi. In particolare:
- modelli gaussiani a pennacchio: si tratta di modelli che ricorrono ad ipotesi semplificative per la risoluzione dell’equazione che descrive il trasporto e la diffusione degli inquinanti in atmosfera; necessitano di un numero relativamente limitato di dati di ingresso e permettono di calcolare l’impatto di sorgenti di vario tipo in aree caratterizzate da terreno non particolarmente complesso, in condizioni meteorologiche variabili lentamente nello spazio e nel tempo, per inquinanti considerati come non reattivi. Per la loro relativa semplicità di utilizzo e la necessità di limitate risorse di calcolo rappresentano un importante strumento di screening adatto alla valutazione delle concentrazioni in atmosfera sul lungo periodo (medie annuali, percentili);
- modelli lagrangiani a particelle: sono modelli tridimensionali che necessitano di dati meteorologici di ingresso (generalmente su base oraria relativi a velocità e direzione vento, temperatura, umidità, pressione e alle variabili che descrivono la turbolenza atmosferica) generati da pre-processori diagnostici o prognostici; sono in grado di riprodurre il trasporto, la dispersione, la deposizione secca e umida e il decadimento radioattivo di sostanze chimicamente inerti rilasciate in condizioni meteorologicamente complesse (calme di vento, flussi su topografia complessa). In un modello di tipo lagrangiano a particelle la dispersione dell’inquinante in atmosfera è simulata attraverso l’emissione di un certo numero di particelle virtuali, ognuna delle quali rappresenta una porzione di massa dell’inquinante; tali particelle seguono il moto turbolento delle particelle di aria nelle quali sono immerse, in modo che la loro distribuzione spaziale ad un certo istante permetta la determinazione della concentrazione della specie emessa. Possono essere utilizzati nello studio dell’impatto di una o più sorgenti sia per lo studio di episodi di inquinamento (giorni, settimane) sia per valutazioni di lungo periodo (anno) ma richiedono significative risorse di calcolo.
- modelli euleriani a griglia (Chemical Transport Models): sono modelli tridimensionali che producono campi orari sia di concentrazione dei principali inquinanti atmosferici sia di deposizione secca e umida, stimati a partire dai valori di concentrazione iniziali e ai bordi dell’area di calcolo e dalle emissioni orarie introdotte nei punti griglia, cui vengono applicati meccanismi di trasporto, dispersione e deposizione derivati dalla meteorologia (realizzata con modelli diagnostici o prognostici, in condizioni orografiche anche complesse) e fenomeni di trasformazione determinati dal meccanismo chimico utilizzato e da un modulo per la trattazione del particolato atmosferico. Necessitano delle informazioni relative a tutte le sorgenti presenti nel dominio di calcolo, ottenibili dall’inventario delle emissioni; trovano applicazione negli studi sia di breve che di lungo periodo, richiedendo significative risorse di calcolo.