L’inquinamento atmosferico in Italia. Misure e · 2018. 6. 29. · Inquinamento atmosferico • è il maggiore rischio ambientale per la salute umana: nel 2012 nel mondo, 7 milioni

Gabriele Zanini – Responsabile Divisione Modelli e Tecnologie per la

Riduzione degli Impatti Antropici e dei Rischi Naturali.

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.

Il 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

LUISELLA CIANCARELLA

Responsabile Laboratorio Inquinamento Atmosferico

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)



Emissioni settoriali in Italia 2015

F

on

te:

ric

erc

a F

SS

, 2

9 s

ett

em

bre

20

17

.


Fotochimica fase gassosa

Emissioni particolato inorganico primarie

( polveri, ceneri, etc) Vapori organici semi-volatili

Gas organici primari

Sale marino

Emissioni di NH3 Emissioni di NOx

H2SO4

Emissioni di SO2


Emissioni primarie di H2SO4

H2O HNO3

Emissioni particolato organico primarie

( OC, EC)



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+;

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 )

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)

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

Area Suburbana

Stima del contributo della combustione della biomassa legnosa al PM10

calcolata attraverso la concentrazione di Levoglucosano (tracciante

specifico).


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

• ACSM (main

components of

non-refractory

PM1)

• Sunset OC/EC

Analyzer

• AIM URG-9000D

(cations and

anions)

Identificazione delle sorgenti e

apporzionamento

Caratterizzazione chimica del PM con

strumenti ad alta risoluzione

temporale • Identificazione

delle sorgenti

• Cicli giornalieri

delle sorgenti

• Contributi dalle

sorgenti

Air-liquid interface (ALI) esposizione di cellule polmonari a condizioni

ambientali reali

Selection of in vitro

model for lung

epithelia relevant for

air pollution

Culturing at ALI of in

vitro models and

transfer in the

exposure apparatus.

Il protocollo di esposizione può essere

selezionato in base al tempo di esposizione (da

poche ore a 24 h) e ripetuto nel tempo.

Esposizione

diretta a PM di

diametro pari a

quello misurato In

tempo reale.

Misure real time delle

proprietà chimico

(ACSM, EC/OC, URG-

Ions) fisiche(SMPS)

del PM

Identificazione di parametri che correlano

composizione PM ed effetti biologici

Identificazionedi descrittori fra effetti biologici ed

esposizione

Carbonaceous Aerosol in Rome and Environs (CARE)

Project 2017

Il Sistema Modellistico

Atmosferico (SMA)

FARM

RAMS

Emission Manager

SURFPRO Meteo

Parametri di turbolenza

Emissioni

Campi ECMWF Dati Locali Inventari

(ISPRA GAINS ed EMEP)

Info spaziali e temporali

Concentrazioni e Deposizioni

Matrici di Trasferimento Campi EMEP

IC e BC

Sottosistema METEO

Sottosistema EMISSIVO

Sottosistema CHIMICO-FISICO GAINS-Italia

I MODELLI sono un utile strumento per:

- valutare la qualità dell’aria nelle zone in

cui non sono presenti stazioni di

misurazione;

- integrare e combinare le misurazioni

effettuate in siti fissi, in modo tale da

ridurne il numero;

- ottenere campi di concentrazione anche

nelle aree all’interno delle zone ove non

esistano stazioni di misurazione o

estendere la rappresentatività spaziale

delle misure stesse;

- comprendere le relazioni tra emissioni e

immissioni, discriminare i contributi delle

diverse sorgenti alle concentrazioni in una

determinata area (source

apportionment), e determinare i contributi

transfrontalieri e quelli derivanti da

fenomeni di trasporto su larga scala (per

esempio, le polveri sahariane);


Verificare la qualità dell’aria a livello

nazionale

2005

Mircea et al. (2014, Atm.Env.)

Ciancarella et al. (2016, Technical Report ENEA)

Concentrazioni annuali PM10

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

Verificare l’efficacia di soluzioni a microscala

PROJECT: URBESS :Nature Based Assessment Tool For Smart And Sustainable Urban Planning,

Pathfinder Project:

EIT Climate – KIC

PMSS (Parallel Micro-SWIFT-SPRAY) applicazione a scala urbana

Caso studio: Modena

Viale Verdi

Citytree, a green infrastructure to

abate air pollution by deposition

on vegetated panels

PSWIFT

PSPRAY

Meteo, landuse, obstacle

description

High resolution 3D wind, temperature

and turbulence fields

Emissions

3D pollutant concentration field

URBESS –PMSS set-up & principali risultati

Case study 1:

Single City-tree

(CT)

Case study 2:

City-tree Barrier

(~153 CT)

Simulation domains Δ% in PM

• 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

regione influenzata

non dipende dalla

velocità di

deposizione.

Sistema nazionale di previsione della qualità

dell’aria ad alta risoluzione ForAir_IT.

Meteo: GFS, United States weather service

(NCEP)

BCs: Global Air Quality forecast MACC-

Copernicus

Emissioni - Italia: ISPRA 2010

Emissioni - Europa: TNO 2005 EMEP

ForAir_IT

20 km

3 days forecast

4 km

3 days forecast

ForAir_IT “corre” su ENEA CRESCO – HPC Computing

Infrastructure

Previsione 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)


VIIAS e MED HISS

• Progetto nazionale, 2013-2015, 400 m€

finanziato dal Ministero della Salute

• Coordinamento: Dipartimento

Epidemiologia del SSR del Lazio

• 9 partners: 2 agenzie nationali, 3 agenzie

regionali, 3 università, 1 SME

• obiettivo: stime mortalità malattie

respiratorie, cardiovasculari, cancro

polmonare e totali) e mesi di vita persi a

causa dell’esposizione all’inquinamento

atmosferico

• Anni base(2005, 2010) e anni futuri (2020, 3

scenari)

• Stime sull’intero Paese e individualmente

sulle 20 regioni

• inquinanti: PM2.5, NO2, O3

MED HISS

• EU LIFE+ Pilot project, 2013-2016, 790 m€

finanziato da EC.

• Coordinamento ARPA Piemonte

• 4 nazioni: Italia, France, Slovenia e Spain -

7 partners (national and regional env.

agencies and epidemiological surveillance

agencies, 1 university)

• obiettivo: to set up a low-cost surveillance

system of long term effects of air pollution,

based on routine air quality and health data

(National Health Interview Surveys, mortality

and hospital admissions registries, air

pollution models)

• inquinanti: PM10, PM2.5, NO2, O3

20 Gabriele Zanini, PM 2018, Matera 23 maggio 2018.

EU 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)


Progetto VIIAS: tassi di mortalità PM2.5 per 100000 ab.

Elaborazioni ENEA Modello MINNI

22

IL PROGETTO VIIAS (www.viias.it)

DECESSI PER CAUSE NON ACCIDENTALI ATTRIBUIBILI A PM2.5 PER 100.000 RESIDENTI PER MACRO AREA GEOGRAFICA E

REGIONE


Scenari ed efficacia.

La Direttiva NEC.

L’accordo di Bacino Padano.

Gli obiettivi ed i costi per le Regioni.


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.


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


Politiche e misure: il tool di

ottimizzazione.

Nelle più recenti politiche ambientali sulla

qualità dell’aria, dalla revisione del

protocollo di Göteborg alla revisione della

Direttiva NEC, gli obiettivi di riduzione

delle emissioni sono stati sempre stimati

avendo come obiettivo la riduzione degli

impatti negativi dell’inquinamento sulla

salute e gli ecosistemi.

Lo strumento di ottimizzazione sviluppato

da ENEA, in collaborazione con IIASA,

consente di determinare costi, misure e

riduzione delle emissioni inquinanti a

livello regionale a partire da un obiettivo

di tipo sanitario o ambientale.

Nell’esempio 2 scenari per l’anno 2030:

- CONC

- HEALTH

Risultati ottimizzazione in termini di costi aggiuntivi totali sullo scenario baseline (BL) in M€/anno per l’anno 2030

Scenario CONC:

target di riduzione

direttamente sulle

concentrazione di

PM2.5 tale da

individuare lo scenario

di minor costo che

raggiunga il valore

obiettivo di 20 mg/m3

Scenario HEALTH:

target in termini di

riduzione

dell’esposizione tale

che l’esposizione

totale nazionale sia la

stessa nei due scenari


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.


ottimizzazione


Il tool di 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.

Risultati ottimizzazione in termini di misure per ridurre le emissioni al

2030 rispetto al baseline 2030

Mesi di vita persi dovuti alle

concentrazioni di PM2.5 nello

scenario di riferimento 2030

(risoluzione 20 km)

Mesi di vita guadagnati nello

scenario ottimizzato HEALTH

al 2030 (risoluzione 20 km)


ottimizzazione


Le misure nazionali per Accordo Bacino

Padano prevedono misure nei seguenti

settori:

- 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.

Risultati modello MINNI risoluzione orizzontale di 4 km. Concentrazione media PM2.5

Misure Nazionali per

Accordo Bacino Padano

BL 2020

BP 2020

BL 2030 BP 2030


La sfida del cambiamento climatico

32

• 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?


Roma-scenario RCP4.5: Surface Temp. 2021-2050 vs 1971-2000

Temperature future in Roma

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 superficiale secondo i modelli Med-CORDEX

per il periodo 2021-2050. Periodo di riferimento 1971-2000.

Roma-scenario RCP8.5: Surface Temp. 2021-2050 vs 1971-2000

Milano-scenario RCP4.5: Surface Temp. 2021-2050 vs 1971-2000

Temperatura futura in Milano.

Representative Concentration Pathways (RCPs) are

four greenhouse gas concentration (not emissions)

trajectories adopted by the IPCC for its fifth

Assessment Report (AR5) in 2014

Milano-scenario RCP8.5: Surface Temp. 2021-2050 vs 1971-2000

Proiezione anomalia temperatura superficiale secondo i modelli Med-CORDEX

per il periodo 2021-2050. Periodo di riferimento 1971-2000.

Qualità dell’aria e cambiamento climatico

Radiative transfer SW/LW

Cloud and Convection

Turbolent diffusion

WRF

RCM

RCM-WRF

WRF/FAR

M

RCM/FAR

M

RCM/FARM-

WRF/FARM

Jan2010 Year201

0

RCM

Due approcci:

Chimica semplificata con

interazioni

Chimica complessa senza

interazioni

Nature doi:10.1038/nature.2014.15442 Aerosols: type/dimension

Qualità dell’aria e variazione climatica: SCENARIO

2050 FORZANTE CLIMATICO

36

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-

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

Divisione MET di ENEA nell’ambito

dell’iniziativa internazionale coordinata

Med-CORDEX.

Emission Manager

FARM ACCIMP


37

PM2.5 –variazione estiva con forzante climatico


38

EC –variazione estiva con forzante climatico


Gabriele Zanini

[email protected]


Documents

L’inquinamento atmosferico in Italia. Misure e · 2018. 6. 29. · Inquinamento atmosferico • è il maggiore rischio ambientale per la salute umana: nel 2012 nel mondo, 7 milioni