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Proprietà Fisico-Chimiche dell'Aerosol Atmosferico
L'importanza di effettuare una caratterizzazione fisico-chimica del particolato atmosferico è legata al forte impatto che queste particelle hanno sulla salute dell'uomo e sull'ambiente. Alla presenza di particelle in atmosfera sono infatti legati fenomeni quali la formazione di nubi e nebbie, la variazione delle proprietà ottiche dell'atmosfera con effetti sulla visibilità e sul bilancio energetico terrestre, la contaminazione di suolo e acqua a seguito di deposizione secca e umida e il danneggiamento dei materiali. Per quanto riguarda gli effetti negativi che le particelle - soprattutto quelle di piccole dimensioni - hanno sulla saluta umana si fa riferimento ai risultati di recenti studi epidemiologici che mostrano una significativa correlazione fra l'aumento dei casi di morbilità/mortalità e la concentrazione delle polveri atmosferiche. Una caratterizzazione elementare dettagliata del particolato atmosferico - soprattutto se riferita alle diverse granulometrie - permette inoltre l'identificazione e la quantificazione delle sorgenti di emissione grazie all'utilizzo di modelli a recettore multivariati (PCFA, APCFA) da applicarsi a data-base costituiti da un numero statisticamente significativo di campioni.
La sezione di Fisica dell'Atmosfera svolge ricerche in questo ambito da vari anni conducendo campagne di misura volte alla determinazione della concentrazione e della composizione delle frazioni fini del particolato atmosferico (PM10=particelle con diametro aerodinamico inferiore a 10 micron; PM2.5=particelle con diametro aerodinamico inferiore a 2.5 micron; PM1=particelle con diametro aerodinamico inferiore a 1 micron), oltre che all'individuazione delle principali sorgenti che contribuiscono al particolato. Inoltre, sono in corso studi volti a determinare il ruolo delle condizioni meteo-climatiche, di stabilità atmosferica e dell'aerosol di fondo nei livelli di concentrazione misurati. I campionamenti sono stati effettuati utilizzando teste di prelievo selettive per la granulometria desiderata (PM10, PM2.5, PM1) a norma EPA e a norma CEN.
Teste di prelievo per campionamenti
di PM10 - PM2.5 - PM1 a norma CEN
La determinazione gravimetrica della massa, che attualmente è il metodo di riferimento, richiede l'impiego di procedure e di facilities che ne permettano una misura accurata e precisa, poiché la quantità di materia risulta essere esigua soprattutto per le frazioni più fini del
particolato. La sezione di Fisica dell'Atmosfera dispone di un laboratorio
climatizzato (con temperatura e umidità regolabili e stabili) in cui sono disponibili 2 bilance analitiche con precisione 10 microgrammi e 0.1 microgrammi, quest'ultima è dotata di un apposito kit pesafiltri che permette di scaricare i filtri
dalle cariche elettrostatiche grazie ad una piccola gabbia di Faraday montata sulla bilancia.
Bilance analitiche di
precisione
(sensibilità: 0.1
m g e 10 m g)
Sui campioni raccolti, oltre alla determinazione del quantitativo totale di polveri effettuata mediante tecnica gravimetrica, vengono
eseguite analisi ED-XRF
(Energy Dispersive X-Ray Fluorescence) per la determinazione degli elementi presenti nelle polveri.
Nel laboratorio si effettua l'analisi multielementare con tecnica ED-XRF, che permette
la rivelazione degli elementi (con Z > 11) maggioritari, minoritari e in tracce presenti nel particolato.
Tipico spettro
XRF di un campione di particolato
Di
seguito sono riportati alcuni risultati ottenuti dal gruppo durante
campagne di misura effettuate nell'area urbana di Milano (maggiori
dettagli si possono trovare su Vecchi
et al.,2004, Marcazzan
et al.,2004, Marcazzan
et al.,2003, Marcazzan
et al.,2002, Marcazzan
et al.,2001).
Nei
grafici e' riportata la composizione media delle tre frazioni granulometriche
(PM10 - PM2.5 - PM1) durante un periodo estivo e un periodo invernale.
Negli
anni 2001-2002 la sezione di Fisica dell'Atmosfera ha partecipato al
progetto PUMI (Particolato
fine nell'atmosfera
Urbana MIlanese)
finanziato dalla Regione Lombardia e dal Comune di Milano. Il progetto PUMI è realizzato in collaborazione con la Fondazione Lombardia per l'Ambiente,
l'ARPA Lombardia, il DISAT (Università di Milano Bicocca), il DIIAR (Politecnico di Milano) e la Stazione Sperimentale per i Combustibili.
Per gli anni 2004-2006 la sezione è coinvolta, come unità operativa,
nelle attività del progetto PARFIL (PARticolato
FIne in
Lombardia) estensione a livello regionale del
progetto PUMI.
Questa attività di ricerca
è stata svolta nell'ambito del progetto MIUR COFIN 2001 dal titolo: "Metodologie fisiche nello
studio dell'ambiente e del patrimonio artistico-culturale". Le
attività previste dal progetto sono state condotte dalla sezione di
Fisica dell'Atmosfera dell'Istituto di Fisica in collaborazione con i
gruppi di ricerca dell'Università di Firenze e dell'Università
di Genova.
La composizione del particolato atmosferico è stata studiata in quattro grandi città italiane (Firenze, Genova, Milano e Napoli) con tecniche di Ion Beam
Analysis. La campagna di misura è stata progettata e realizzata con l'obiettivo di "fotografare" le caratteristiche del particolato atmosferico in quattro grandi città nello stesso periodo e utilizzando un unico approccio metodologico e sperimentale.
I campionamenti di particolato sono stati effettuati simultaneamente nelle quattro città durante un periodo
invernale ed uno estivo dell'anno
2001 (si vedano anche D'Alessandro
et al., 2004, D'Alessandro
et al., 2003, Ariola et
al., 2002).
Sono stati utilizzati campionatori continui a due stadi
(streaker samplers) che separano e raccolgono il particolato atmosferico in due frazioni granulometriche (frazione fine e grossa del PM10).
Streaker
Sampler utilizzato per le misure ad elevata risoluzione temporale
L'andamento orario della concentrazione di una ventina di elementi è stato dedotto mediante misure PIXE
(Particle Induced X-ray Emission), eseguite col set-up di fascio esterno
dell'acceleratore dell'INFN presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di
Firenze.
In
figura viene mostrato il set-up di irraggiamento e un filtro relativo ad una
settimana di campionamento di PM2.5 effettuata in continuo.
L'elevata
risoluzione del campionamento permette l'identificazione e la caratterizzazione
di sorgenti attive su scale temporali differenti, l'identificazione di
contributi regionali rispetto alla formazione locale di aerosol, lo studio
dettagliato di trasformazioni fisico-chimiche delle particelle e la correlazione
con parametri meteorologici e inquinanti gassosi su base oraria.
Nelle
figure seguenti si mostrano alcuni risultati ottenuti durante la campagna
estiva.
fig. 1- Genova: andamento di alcuni elementi traccianti del
traffico
fig. 2 - Firenze: episodio di trasporto di
aerosol marino
fig. 3 - Milano: evidenza di sorgente antropica episodica
fig. 4 - Milano: produzione fotochimica di solfato
Questa attività di ricerca è in corso
nell'ambito del progetto MIUR COFIN 2003 dal titolo: "Analisi con fasci ionici,
spettrometria di massa con acceleratori e tecniche complementari per
l'ambiente e i beni culturali" in collaborazione con l'Università
di Firenze, l'Università di
Genova, l'Università di Napoli
e l'Università di Catania.
Altre
attività di sviluppo metodologico sono svolte nell'ambito dell'esperimento
INFN denominato "MASAI" (Metodologie
Applicative
per
Studi di
Arte e di
Inquinamento) che viene
svolto in collaborazione con i gruppi dell'Università
di Firenze, dell'Università di
Genova, dell'Università di Ferrara
e dei Laboratori Nazionali del Sud.
Oltre
all'ottimizzazione delle tecniche PIXE-PIGE per l'analisi elementare
di campioni di particolato atmosferico, risulta di rilievo lo
sviluppo di un set-up PESA (Particle
Elastic
Scattering Analysis) per la determinazione di H, C, N,
O nei medesimi campioni
Nelle
figure seguenti sono riassunti i risultati preliminari di una campagna di misura
effettuata in un sito industriale (per maggiori dettagli vedi Chiari
et al., 2004).
Per l'importanza che riveste la frazione
carboniosa del particolato sia in ambito urbano sia in località remote il
gruppo di ricerca sta collaborando con il Dipartimento di Chimica Inorganica,
Metallorganica e Analitica dell'Università di Milano per la messa a punto di un
metodo basato sull'evoluzione termica per la determinazione del Carbonio
Elementare (EC) e dei composti Organici del Carbonio (OC). Schema della metodologia
utilizzata per la determinazione di OC\EC nel particolato atmosferico
I dati acquisiti nelle campagne di misura sono stati analizzati con l'ausilio di tecniche di analisi multivariata e modelli a recettore (PCA-PFA-APCA-...) per l'individuazione e la quantificazione dei contributi delle sorgenti al particolato misurato ("source apportionment").
I risultati mostrati sopra sono un esempio di applicazione di tecniche PCFA su dati di PM10 ottenuti in una campagna di misura a Milano (per maggiori dettagli vedere Marcazzan et al., 2004).
Negli ultimi anni il gruppo ha condotto indagini volte alla caratterizzazione del particolato atmosferico ed al suo impatto in ambienti di interesse artistico quali: Camera Picta del Mantegna (Palazzo Ducale - Mantova), Veduta di Hall (Cortile del Michelozzo, Palazzo Vecchio - Firenze) e archivio storico della Ca' Granda (Milano). Alcune di queste attività sono state condotte in collaborazione con la Sezione di Archeometria dell'Istituto di Fisica Generale Applicata e con il Dipartimento di Chimica Inorganica, Metallorganica e Analitica dell'Università di Milano, con l'Università e la sezione INFN di Firenze, con il CNR - ISAC di Padova.
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