TECNICA TIPO DI ANALISI SO2 NO,,, CO 03 IT ICM

Assorbimento UV

Chemiluminescenza

Calorimetria

Conducimetria

Coulometria

Elettrochimica

Ionizzazione in fiamma

Fotometria in fiamma

SIND

Gascromatografia

Misura dell'assorbimento della radiazione ultravioletta

Misura fotometrica dell'emissione luminosa di reazionichimiche (es.: 03+NO2)

Osservazione fotometrica delle variazioni cromatichedei reagenti (per tecnica chimica umida)

Misura della conducibilità nelle soluzioni chimichecontenenti inquinanti

Misura della corrente generata in particolari reazioni,proporzionale al tasso di assorbimento di inquinanti

Misura della differenza di potenziale generata da uncampione di aria inquinata, posto a reagire in una cellaelettrochimica

Misura della corrente di ionizzazione in fiamma di uncampione di gas per determinare il contenuto di C

Misura fotometrica della luminescenza di campioni digas in fiamma da H2

Spettrofotometria della banda di assorbimento di uncampione di gas di riferimento e correlazione con labanda di emissione di un gas incognito

Metodo di analisi basato sulla migrazione differenziale digas o solventi attraverso un mezzo assorbente poroso

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In tabella sono elencati i principali tipi di analizzatori puntuali diinquinanti gassosi e le rispettive tecniche di analisi. Con SIND si indi-

ca la spettroscopia all'infrarosso non dispersiva; con ICM vengono in-dicati gli idrocarburi multicomponenti e con LT gli idrocarburi totali.

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I

L~RIRIV

nel corso del 1800. Essendo stata peròanche la prima nazione a vivere la Rivolu-zione Industriale fu anche la nazione cheper prima si trovò a dover affrontare que-sti problemi non solo con provvedimentidi legge ma anche con concrete azioni diricerca (è del 1866 il primo lavoro scienti-fico sugli effetti dell'inquinamento sullasalute delle persone).

Comunque, come altre volte nella sto-ria dell'umanità, i primi studi sulla diffu-sione in atmosfera, avviati con i dovutimezzi e la necessaria profondità, furonodeterminati da esigenze belliche. Durantela prima guerra mondiale, furono usatiintensivamente i gas (vedi per esempiol'iprite). Gli esiti però di tale nuova armaerano talvolta incerti se non addiritturaavversi a causa dell'estrema variabilitàdel vento. Ciò indusse l'esercito inglese aindirizzare parte dei suoi ricercatori versostudi intensivi sulla diffusione dei gas inatmosfera. Risalgono così a quell'epoca leprime campagne di misura in atmosfera.Si ebbe comunque, come risultato, che lascuola inglese produsse negli anni fra ledue guerre importantissimi risultati con-servando anche nel primo dopoguerra laleadership in questo campo (si vedano adesempio i lavori di G. I. Taylor, D. Brunt,O. G. Sutton e F. Pasquill). Fra le dueguerre troviamo poi notevoli contributidalla scuola tedesca (T. Von Karman e L.Prandtl) e da quella russa (A. N. Kolmo-goroff, A. M. Obhukov, A. S. Monin e piùrecentemente D. L. Laitkman). Mentre lascuola inglese si è sviluppata lungo il filo-ne empirico-statistico, la scuola tedesca esoprattutto quella russa, hanno cercatoun maggior rigore logico-matematico.Negli Stati Uniti, il problema inquina-mento atmosferico prende un notevolesviluppo solo dopo il 1943 in relazionealla costruzione e installazione dei primireattori a energia atomica. Come uno deirisultati di tali studi, nel 1955 si ha laprima legislazione completa sull'argo-mento (che sarà poi aggiornata nel 1963 enel 1970) seguita, nel 1956, da una ana-loga normativa in Inghilterra. La scuolaamericana si sviluppa lungo due correntidi ricerca diverse: la prima consiste neltrovare criteri o modalità empirici di con-trollo, misura e previsione dell'inquina-mento, provati e il più possibile semplici,che siano basati sulle conoscenze già ac-quisite. La seconda linea tende invece adapprofondire lo studio dei fenomeni fisiciche sono alla base della diffusione e deltrasporto di inquinanti (si possono ricor-dare i nomi di D. B. Turner, F. A. Gifford,H. A. Panofsky e G. A. Briggs). Gli altripaesi europei (più il Giappone e l'Austra-lia) si muovono anch'essi in maniera si-gnificativa nel dopoguerra. Oggi, studi inquesto campo vengono effettuati non soloin tutti i paesi facenti parte da tempo dellacomunità scientifica internazionale, maanche da paesi del terzo mondo, che in-sieme all'industrializzazione debbonoanche affrontare i conseguenti problemidel deterioramento dell'ambiente. L'Ita-lia è stato uno degli ultimi paesi a muover-si in questo tipo di ricerche, se si eccettua-no lodevoli iniziative isolate al di fuori

Il sento trasporta le molecole dei gas che vengono emessi nell'atmosfera o le particelle che vi sitrovano in sospensione separandole in senso longitudinale in modo proporzionale alla sua velocità.

Se nell'atmosfera agissero solamente moti turbolenti a piccola scala il fumo si muoverebbepressoché in linea retta (a), con un graduale aumento della sua sezione trasversale; con moti a

scala maggiore il pennacchio oscillerebbe invece ampiamente conservando una piccola sezione(b). In realtà si osservano nell'atmosfera moti turbolenti con ampio spettro di scala, e ciò fa sì che ilfumo (c) oscilli e si disperda nello stesso tempo. La distribuzione di tali scale non è uniforme.

La dispersione di inquinantiin atmosfera a scala locale

Questo fenomeno, che dipende dal tipo di sorgente, dalla topografia delsito e dalle condizioni meteorologiche, non può essere studiato solocon normali metodi di laboratorio, ma richiede una filosofia ad hoc

di Domenico Anfossi, Flavio Bossa e Renzo Richiardone

I

l problema dell'inquinamento atmo-sferico, ovvero del deterioramentodell'e ambiente», nasce dall'impo-

nente sviluppo raggiunto, a scala mondia-le, dall'industrializzazione unito alla ten-denza delle popolazioni a vivere concen-trate in grosse città. Esso consiste nell'e-missione in atmosfera di sostanze in con-centrazioni elevate (o comunque superio-ri ai livelli presenti normalmente in natu-ra) tali da produrre effetti dannosi nonsolo per la salute di uomini e animali, ma

anche danni seri alla vegetazione e dete-rioramenti del suolo e dei materiali. Inol-tre non vanno dimenticati gli effetti sulclima, la riduzione della visibilità e dellaradiazione solare e la creazione di situa-zioni di vera «calamità naturale» come iltristemente famoso disastro di Londra del1952 dovuto allo smog, in cui si ebberonumerosi morti.

Sebbene il problema inquinamento siaemerso nella sua intierezza e drammatici-tà soltanto di recente, esso ha ovviamente

origini lontane che si rifanno almeno aquando gli uomini scoprirono il fuoco. Èinteressante notare come il primo prov-vedimento legislativo «antinquinamen-to» risale al 1300 circa. Il re Edoardo Id'Inghilterra infatti, in tal epoca, emanòun editto che prevedeva la pena di morteper chi avesse bruciato carbone durante lesedute del Parlamento, e questo a causadel fumo e dell'odore prodotto. L'Inghil-terra emanò dunque il primo editto, se-guito da altri nel 1661, 1772 e da ben tre

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20 22 24TEMPERATURA (GRADI CENTIGRADI)

L'andamento della temperatura con la quota influenza molto le capacità di rimescolamentoverticale dell'atmosfera. Il profilo adiabatico (2) rappresenta in questo senso lo stato di equilibrioindifferente. Se la diminuzione di temperatura con la quota è superiore a 1°C ogni 100 metri ilprofilo è detto superadiabatico (1). Un gradiente di temperatura superadiabatico esalta i motiverticali dell'aria, mentre nel caso di profili isotermi (3) o di inversione (4) essi si smorzano.

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L'esistenza di un legame tra i profili di temperatura e la forma di unpennacchio di fumo è all'origine della classificazione riportata in figura.Sebbene sia estremamente qualitativa, essa permette una schematizza-zione delle capacita dispersive dell'atmosfera, tant'è che spesso lasemplice osservazione di un pennacchio di fumo può fornire utili indi-cazioni sulle condizioni di stabilità dell'atmosfera. I profili di tempera-tura effettivi (in colore intenso) sono qui confrontati con i profili

adiabatici (in colore chiaro). Le situazioni più pericolose si hanno inpresenza o di gradienti superadiabatici (quando il forte rimescolamen-to trascina il pennacchio al suolo provocando impennate dei valori diconcentrazione) o di inversione. La presenza di uno strato di inversio-ne in quota agisce da barriera per il fumo avente una quota di livella-mento inferiore alla sommità dell'inversione stessa e pertanto esso sidiffonde solo nello strato sottostante, causando situazioni critiche.

FANNING

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dell'ambiente accademico. A riprovacomunque di un cresciuto interesse nelnostro paese per questi studi, basterà ri-cordare il numero via via in aumento diistituti universitari o di laboratori delCNR che vi si indirizzano e l'apertura(1976), nell'ambito dei Progetti di ricercafinalizzati del CNR, di un canale di ricercasull'ambiente (inteso nelle sue compo-nenti generali: difesa del suolo, aria eacqua). In Italia la legge sull'inquinamen-to atmosferico è del 1966, mentre è del1971 la pubblicazione sulla Gazzetta Uf-ficiale del regolamento per l'esecuzionedella legge.

Schematicamente, si può dire che ilproblema inquinamento dell'aria comeconseguenza dell'attività umana (che si

sovrappone a quello normalmente pre-sente in natura: eruzioni laviche, incendidi foreste, polveri trasportate dal vento,metano che si origina dalla decomposi-zione di sostanze organiche, altri idrocar-buri emessi dalle piante, ecc.) si può scin-dere in tre sottoproblemi: emissione inatmosfera dai vari tipi di sorgente; tra-sporto e diffusione del materiale emesso(con relative trasformazioni chimichesubite) operati dall'atmosfera; interazio-ne dell'inquinante con il suolo, con l'uo-mo, gli animali, le piante. La globalità delproblema richiederebbe conoscenze det-tagliate e aggiornate in campi di indaginefra loro anche molto lontani. Lo studiodelle emissioni, infatti, richiede cono-scenze di chimica delle combustioni e di

ingegneria chimica e strutturale; lo studiodel trasporto e delle reazioni chimicheche avvengono in atmosfera richiede laconoscenza di meteorologia generale, dim icrometeorologia, di meccanica deifluidi e di chimica; l'esame degli effettidell'inquinante richiede infine conoscen-ze di medicina, fisiologia e biologia. Nelpresente lavoro, verranno pertanto af-frontati solo gli aspetti fisico-meteorolo-gici del problema inquinamento con qual-che accenno a misure di tipo chimico-me-teorologico, intese sempre comunquecome misure che concorrono a fornire unquadro, il più possibile generale, del fe-nomeno fisico oggetto di studio.

Una prima considerazione da farsi èlegata alle scale dei fenomeni in

studio, dato che i moti dell'aria interessa-no scale temporali che vanno dalla frazio-ne del secondo alle decine di anni e scalespaziali che vanno dalla frazione del cen-timetro alla lunghezza del cerchio massi-mo terrestre. Ecco perciò che si parla dimicrometeorologia (o meteorologia a sca-la locale) in cui si studiano i fenomenientro una decina di chilometri e nell'in-tervallo di tempo dell'ordine dell'ora;mesometeorologia (cioè a scala regiona-le) in cui si arriva al centinaio di chilome-tri; meteorologia generale (cioè alla scaladi una intera nazione o più). È compren-sibile come ogni scala di fenomeni com-porti teorie con ordini di dettaglio e diapprossimazione diversi, così come abba-stanza diverse saranno, in generale, lemetodologie sperimentali; anche se, ov-viamente, ci deve essere una possibilità disovrapporre i risultati ottenuti alle variescale.

Ci occuperemo qui della scala locale. Inaltri termini, il problema è il seguente:data una sorgente localizzata in un certosito , (pianeggiante, collinare, costiero,ecc.), posta a una certa quota sul pianocampagna, emittente una certa quantitàdi inquinante nell'unità di tempo, studia-re il destino di detto inquinante in rela-zione alla conformazione topografica emorfologica del terreno circostante e del-le situazioni micrometeorologiche preva-lenti e delle loro eventuali variazioni neltempo. Va subito detto che una teoriacompleta ed esauriente, a tutt'oggi, nonesiste, cosicché si è in grado di dare dellestime abbastanza attendibili solo in situa-zioni molto particolari come per esempionei siti completamente pianeggianti e perdi più interessati da venti di forte intensi-tà. Si capisce come sia errato, per studi diprevisione dell'impatto delle emissioniprovenienti da un certo impianto sull'am-biente circostante, servirsi «acriticamen-te» dei risultati ottenuti in siti diversi daquello in esame. Si capisce anche comenasce l'esigenza di effettuare irtdagini,sito per sito, se si vuole raggiungere unlivello di confidenza soddisfacente.

Quando ci si trova di fronte a un pro-blema concreto si opera pertanto nelmodo seguente: a) si procede a una de-scrizione qualitativa del fenomeno inoggetto sulla base dei dati sperimentali inpossesso; b) si sviluppano dei modelli teo-

rici (o più generalmente si utilizzano quel-li già esistenti e provati in altri siti) ingrado di descrivere quantitativamente ilfenomeno; c) si progetta e si effettua unaserie di campagne sperimentali in loco pervalutare le prestazioni dei modelli me-diante il confronto fra i dati previsti equelli misurati, al fine di appurare qualedia i risultati migliori; d) si modifica even-tualmente il valore dei vari coefficientiche tale modello conterrà in modo da mi-gliorare l'accordo con le misure fatte (ta-ratura del modello). Non va dimenticatocome sia necessario e utile, anche se assaidifficile, dedicare almeno parte delleenergie disponibili all'approfondimentodello studio dei fenomeni fisici in sé. siaallo scopo di ridurre al minimo l'usodi coefficienti numerici dimensionali davalutarsi di volta in volta nei modelli,sia allo scopo di affinare la descrizionequantitativa dei fenomeni, riducendo imargini di incertezza.

Un'informazione necessaria all'effet-tuazione di stime di diffusione ri-

guarda la configurazione della sorgenteda cui gli effluenti (gas e/o particelle)vengono rilasciati nell'atmosfera. Il casopiù semplice è costituito da una sorgenteisolata e puntiforme (ciminiera); si pos-sono poi avere più ciminiere a breve di-stanza l'una dall'altra (sorgenti multiple)o sorgenti che possono essere consideratelineari (una strada con traffico intenso ola scia di un aereo usato per irrorare cam-pi coltivati); sorgenti areali (esempio tipi-co è una città con la sua moltitudine disorgenti) e infine le sorgenti complesseche sono l'insieme di quelle viste prece-dentemente, quando si trovino l'una inpresenza dell'altra. Le sorgenti isolatesono state fino a ora le più studiate a causadella loro maggior semplicità e importan-za nel campo delle emissioni industriali esolamente in questi ultimi anni, con l'au-mentata importanza dei problemi di in-

quinamento urbano, una maggiore atten-zione è stata rivolta alle sorgenti areali.

La dispersione dei gas emessi da unaciminiera è dovuta essenzialmente allavelocità del vento e alla sua turbolenza(che viene detta meccanica), a cui bisognaaggiungere gli effetti dovuti alla stratifi-cazione termica verticale dell'aria. Que-ste grandezze non sono variabili indipen-denti fra loro, ma vi è, più o meno esplici-to, un legame di interdipendenza. Il ventotrasporta le molecole del gas o le particel-le in sospensione, appena lasciano la sor-gente, separandole in senso longitudina-le. La turbolenza meccanica (insieme difluttuazioni di velocità del vento casuali,aperiodiche e scorrelate che si sovrap-pongono al moto medio dell'aria suppo-sto quasi regolare) contribuisce invecealla diluizione laterale e verticale, rime-scolando il pennacchio con l'aria circo-stante. La stratificazione termica infinepuò contribuire, come vedremo più avan-

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TEMPERATURA (GRADI CENTIGRADI)

notte, raggiunge quote sempre più elevate (c). Con il sorgere del Sole ilriscaldamento del suolo si estende a uno strato atmosferico a forterimescolamento che a poco a poco sostituisce lo strato di inversione (d)fino a riportare la situazione alle condizioni iniziali nelle ore più calde.

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TEMPERATURA (GRADI CENTIGRADI)

Nella sequenza dei quattro diagrammi è rappresentata schematicamen-te l'evoluzione diurna di un profilo di temperatura: dopo il tramonto(a) il raffreddamento del suolo si estende all'aria sovrastante causandola formazione di uno strato di inversione (b) che, nel corso della

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STRATODI INVERSIONE

STRATORIMESCOLATO

T(z)T(z) T(z)

ARIA INSTABILE ARIA STABILE

TERRA

In un regime di circolazione tipico della brezza di mare i fumi emessi in uno strato stabile vengo-no fortemente dispersi solo quando incontrano lo strato instabile. Questo strato si forma per ef-fetto del riscaldamento del suolo e la sua profondità aumenta con la distanza della linea di costa.

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ti, ad amplificare, a smorzare e in alcunicasi anche a bloccare la dispersione dellanuvola inquinante.

All'uscita dai camini, i fumi possiedonouna certa velocità verticale e sono spessoa una temperatura molto più elevata diquella ambiente. Questi due fattori fannosì che il fumo tenda inizialmente a innal-zarsi in atmosfera, per poi piegarsi nelladirezione del vento a mano a mano che ilsuo rimescolarsi con l'aria circostante nediminuisce la temperatura. Nella primafase di innalzamento, a questo processocontribuisce in maniera preponderanteil regime altamente vorticoso propriodei fumi all'uscita dalla bocca del cami-no (turbolenza autoindotta). Solamentequando la sua temperatura uguaglieràquella circostante, il pennacchio si trove-rà a essere completamente livellato; daquesto punto in poi esso si comporterà inmodo puramente passivo, seguendo ab-bastanza fedelmente i moti dell'aria(tranne le particelle di grosse dimensioniche precipitano, durante il trasporto, pereffetto gravitazionale). La determinazio-ne della quota di livellamento di un pen-nacchio di fumo è di particolare interesse,poiché le espressioni, che servono a calco-lare le concentrazioni dell'inquinante alsuolo, fanno dipendere queste ultime datale altezza in ragione inversamente pro-porzionale al suo quadrato. Numerosesono state le formule proposte da variautori per calcolare tale innalzamento,nessuna delle quali ha trovato una appli-cazione universale. E ciò è dovuto al fattoche tutte contengono qualche elemento diempiricità che va tarato di volta in volta.Si può comunque ritenere che i modellisviluppati da Briggs (negli USA) sonoquelli che mostrano una maggior adatta-bilità alle varie situazioni e sono quindi dipiù ampio impiego. Anche nei siti italianiche sono stati oggetto di indagine da partedel nostro gruppo, i modelli di Briggs sisono rivelati i più attendibili. Se la veloci-tà di uscita e la temperatura dei fumi ri-spetto a quella ambiente sono trascurabili(è questo il caso più frequente nei caminidelle abitazioni) essi possono essere tra-sportati al suolo dall'effetto aerodinami-co di scia prodotto dall'edificio da cui fuo-riescono; la pericolosità di questa situa-zione è evidente, poiché la concentrazio-ne degli inquinanti è in questo caso eleva-ta, a causa della vicinanza della sorgente.

Più sopra si è detto che un pennacchio èlivellato quando la sua temperaturauguaglia quella dell'aria circostante (ov-vero quando la turbolenza autoindottadel pennacchio cessa di essere prevalentee incomincia a predominare la turbolenzaatmosferica). Se ne deduce che la tempe-ratura dell'aria, e in particolar modo lasua variazione con la quota, hanno unruolo fondamentale. Se un ipotetico vo-lume d'aria si muove verticalmente nel-l'atmosfera, la sua temperatura varia acausa dell'espansione (o compressione)adiabatica che avviene nella fase di salita(o discesa). Tale variazione è di circa 1grado centigrado ogni 100 metri (gra-diente adiabatico secco). In uno stratoatmosferico in cui vi sia un buon rimesco-

lamento verticale delle masse d'aria (que-sto è il caso, per esempio, di venti di forteintensità) l'aria tenderà a essere caratte-rizzata da un gradiente verticale che èmolto vicino a quello adiabatico secco.Tale tipo di profilo rappresenta, per i motiverticali nell'atmosfera, lo stato di equili-brio indifferente. Se infatti un certo vo-lume d'aria possiede una temperaturadiversa da quella circostante, esso tende-rà a salire o a scendere a seconda che siapiù caldo o più freddo dell'atmosfera incui si muove. Ne segue che in un'atmosfe-ra con un gradiente superadiabatico, ossiain cui la diminuizione di temperatura conla quota è superiore al valore di I gradocentigrado ogni 100 metri, un volumed'aria, dotato di moto ascensionale, in-contrerà nel suo cammino aria circostantepiù fredda, e quindi il suo moto verticaleverrà rafforzato. Poiché anche un suomoto verso il basso verrebbe amplificato,a causa del minor riscaldamento del vo-lume d'aria rispetto a quello dell'ambien-te, un'atmosfera con un gradiente supe-radiabatico viene detta instabile. Quandosi è in tali condizioni, il rimescolamentodell'aria è favorito, ragion per cui gli in-quinanti eventualmente presenti sarannodispersi in volumi di aria assai grandi.Anche se questa sembra essere una situa-zione favorevole, bisogna ricordare cheessendo queste condizioni accompagnategeneralmente da venti di debole intensità(1 o 2 metri al secondo) le ricadute degliinquinanti si potranno avere a distanzebrevi dalle sorgenti. Può succedere quindiche pur essendo molto diluiti nella dire-zione verticale, essendolo pochissimo inquella orizzontale, le concentrazioni ri-sultanti al suolo siano particolarmenteelevate. Al contrario, se il gradiente at-mosferico è inferiore a quello adiabatico,l'atmosfera è detta stabile poiché i motiverticali vengono smorzati. In questo caso

la dispersione verticale degli inquinanti insospensione viene a essere notevolmenteridotta.

Negli strati atmosferici che si estendo-no dal suolo fino ad alcune centinaia

di metri, si può osservare un vero e pro-prio ciclo giornaliero di profili di tempe-ratura. Come tutti i corpi a temperaturamaggiore dello zero assoluto, anche lasuperficie terrestre perde energia per ir-raggiamento (essendo la sua temperaturamedia intorno ai 300 kelvin, l'emissioneradiante avviene nell'infrarosso). Duran-te il giorno, la perdita di energia sottoquesta forma non è evidente dato che l'e-nergia solare incidente è di intensità assaimaggiore, ma nelle notti, specie in quellein cui il cielo è sereno (le nuvole rappre-sentano una barriera per la radiazioneinfrarossa emessa dalla Terra e agisconoquindi da «specchio», riflettendole par-zialmente verso il terreno) il suolo si raf-fredda, causando un raffreddamento de-gli strati d'aria a contatto con esso. Se ilvento non possiede un'intensità sufficien-te (6 o 7 metri al secondo) a rimescolarel'atmosfera, la diminuzione di temperatu-ra nell'aria a contatto con il suolo dà ori-gine a un profilo in cui la temperaturadell'aria aumenta con la quota, cioè a unprofilo di inversione (inversione da irrag-giamento). Nel corso della notte il raf-freddamento interessa strati d'aria sem-pre più lontani dal suolo, cosicché la quo-ta dell'inversione termica aumenta (se-condo una relazione di proporzionalitàcon la radice quadrata del tempo), fino araggiungere all'alba un massimo che, inbase alle misurazioni effettuate dal nostrogruppo di ricerca, risulta nei mesi inverna-li, intorno ai 300 metri. Lo strato d'ariasotto la sommità dell'inversione è forte-mente stabile, per cui la turbolenza atmo-sferica, e quindi la diffusione, sono gran-

Nelle applicazioni pratiche un pennacchio di fumo viene schematizzato supponendo che laconcentrazione dell'inquinante vari in modo gaussiano intorno al suo asse. Le deviazioni standardnel piano orizzontale (J ) e verticale ( ) dipendono dalle condizioni di stabilità dell'atmosfera.

VELOCITÀ DEL VENTOAL SUOLO (m/s)

INSOLAZIONE DIURNA CONDIZIONI NOTTURNE

FORTE MODERATA DEBOLE COPERTURA>4i8

COPERTURA<4/8

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A:B:C.

CONDIZIONI ESTREMAMENTE INSTABILI D: CONDIZIONI NEUTRECONDIZIONI MODERATAMENTE INSTABILI E: CONDIZIONI LEGGERMENTE STABILICONDIZIONI LEGGERMENTE INSTABILI F. CONDIZIONI MODERATAMENTE STABILI

Poiché dati meteorologici accurati sono raramenti disponibili, numerosi autori hanno suggerito lasuddivisione delle caratteristiche turbolente dell'atmosfera in classi di stabilità, facilmente deter-minabili in base a semplici dati quali la velocità del vento al suolo, il grado di insolazione (digiorno) e di copertura (di notte). Per grado di copertura si intende la frazione di cielo coperta danubi. La classificazione di Pasquill è una delle più adottate e si basa su 6 classi (dalla A alla F).

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02 103104

DISTANZA DALLA SORGENTE (METRI)

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influenzano l'evoluzione. La presenzadelle nuvole riduce infatti sia il riscalda-mento diurno sia il raffreddamento not-turno, mentre il vento, rimescolandol'atmosfera, tende a riportare i gradientidi temperatura al valore adiabatico. Du-rante i giorni nuvolosi e in presenza divento di una certa intensità, si hanno in-fatti gradienti di temperatura pressochéadiabatici sia di giorno che di notte.

Anche le disomogeneità topografichepossono influenzare le caratteristichedispersive dell'atmosfera. È stato riscon-trato infatti da vari autori che le inversioninotturne avvengono con minor frequenzasulle città che non nei loro dintorni, poi-ché la città si comporta come una «isola dicalore» sia a causa dell'energia liberatadalle attività umane, sia a causa dell'ele-vato potere assorbente dell'asfalto e dellecase, che agiscono da volano termico libe-rando di notte l'energia (di origine solare)immagazzinata durante il giorno. In pre-senza di venti deboli si possono osservaredei moti ascendenti sulla città (aria piùcalda) accompagnati, per continuità, dal-la discesa dell'aria in periferia. Tale tipodi circolazione può essere assimilato auna sorta di brezza (di campagna) analo-ga alle più note brezze di mare e di terra, odi monte e di valle, che hanno anch'esseorigine dalla disomogeneità orizzontaledi temperatura. Sostanze che in periferiasono confinate in uno strato ristretto acausa della forte stabilità, quando giun-gono sulla città, vengono disperse sia acausa di un gradiente molto meno stabile,sia a causa della turbolenza indotta dallasuperficie accidentata del tessuto urbano.Un effetto simile si può verificare nellezone costiere durante le ore diurne quan-do il maggior riscaldamento della superfi-cie terrestre rispetto all'acqua dà origineal regime di brezza di mare (fenomenoche, come è noto, avviene in senso inversodi notte). Durante la brezza di mare,quando l'aria marina giunge sulla superfi-cie terrestre che è più calda di quella delmare, si forma a contatto con il suolo unostrato instabile (caratterizzato da gra-diente superadiabatico) che diventa sem-pre più profondo man mano che ci si inol-tra verso l'entroterra. Anche in questocaso, i fumi emessi nello strato stabileverranno dispersi verso il suolo quandoverranno a contatto, nell'entroterra, conlo strato instabile.

Ache se il gradiente termico verticale èil fattore che maggiormente in-

fluenza la turbolenza atmosferica nellezone (quali ad esempio la pianura Pada-na) caratterizzate da frequenti calme divento o comunque da venti di debole in-tensità, bisogna ricordare anche gli altrifattori che ne sono responsabili, vale adire essenzialmente la rugosità del terre-no e il profilo verticale del vento. Neglistrati atmosferici superficiali le caratteri-stiche medie del vento (velocità e direzio-ne) sono determinate essenzialmente dal-l'equilibrio di tre forze: il gradiente oriz-zontale di pressione, la forza di Coriolis ela forza di attrito viscoso dovuto alla pre-senza della superficie. L'azione di que-

st'ultima è massima ovviamente al suolo esi attenua via via che ci si innalza, perannullarsi approssimativamente intornopi 1500, 2000 metri, per cui al di sopra ditale quota il vento può considerarsi conbuona approssimazione dovuto solo al-l'equilibrio fra la forza di Coriolis e ilgradiente orizzontale di pressione (talevento viene chiamato geostrofico e la suadirezione è parallela alle isobare). Lostrato compreso fra il suolo e l'atmosferalibera (definita come zona atmosferica incui si ha il vento geostrofico più sopraintrodotto), è detto strato limite planeta-rio. In esso, la presenza delle forze visco-se, causando una diminuizione della velo-cità del vento sempre più intensa a mano amano che ci si approssima al suolo, pro-voca anche una rotazione antioraria delladirezione la cui entità dipende dalle con-dizioni di attrito («spirale di Ekman»).

Nell'atmosfera il ruolo della viscositàmolecolare è trascurabile rispetto a quel-lo della viscosità cosiddetta turbolenta.Mentre la prima è legata al trasporto(grazie all'agitazione molecolare) diquantità di moto tra zone di fluido che simuovono a divérse velocità, nella secon-da tale trasporto è operato dai «vortici»turbolenti. Il termine vortice è in questocaso puramente simbolico e si riferisce ingenerale a quella varietà infinita di motiturbolenti, aventi scale diverse, che sonoresponsabili della diffusione in atmosferadi una qualunque grandezza che non vi siadistribuita in modo uniforme.

L'esistenza della spirale di Ekman è unbuon esempio per comprendere come, ingenerale, le sostanze che vengono libera-te in atmosfera non sempre si diffondononella direzione del vento esistente a quotacamino. In realtà il vento si comportaesattamente secondo la spirale di Ekmansolo nei siti pianeggianti estesi (praterie).Gli effetti orografici producono distor-sioni locali che si possono mettere in evi-denza solamente con apposite misure. Levariazioni con la quota della direzione edella velocità del vento non influenzanosolo le caratteristiche medie del trasportodi sostanze in sospensione (vale a dire latraiettoria media), ma anche quelle piùlegate alla turbolenza. Se infatti tali varia-zioni con la quota sono presenti, un volu-me d'aria che venga spostato da una quo-ta all'altra giungerà alla nuova quota conuna parte della sua quantità di moto ini-ziale e quindi costituirà una sorta di per-turbazione rispetto al nuovo regime dimoto che lo circonda. L'esistenza di unadisomogeneità verticale nel profilo delvento tende pertanto a creare, o even-tualmente a ingigantire, lo stato turbolen-to dell'atmosfera.

I coefficienti di dispersione laterale e verticalein funzione della distanza dalla sorgente a se-conda della stabilità atmosferica, valutati daPasqua! in Inghilterra (in colore intenso), sonoposti a confronto con quelli rilevati in pianuraPadana dal gruppo di ricerca congiunto La-boratorio di cosmogeofisica del CNR di Torinoe dell'ENEL/CRTN di Milano, per evidenzia-re come la loro valutazione vari da sito a sito.

10'

10

demente attenuate. La sommità dell'in-versione stessa funge perciò da superficieriflettente per gli inquinanti che vi riman-gono intrappolati (a meno che non pos-seggano un elevato eccesso di temperatu-ra rispetto a quella ambiente, perché inquesto caso, riescono a «passare» la bar-riera costituita dall'inversione).

Con il sorgere del Sole si verifica unfenomeno che può essere consideratol'opposto della situazione notturna. L'a-ria più a contatto del suolo si riscaldadando origine a un profilo superadiabati-co, in cui la spiccata turbolenza garantisceun rapido e ampio rimescolamento. Il ri-scaldamento interessa via via strati d'ariasempre più alti e, quindi, aumenta la pro-fondità dello strato rimescolato che viene

a sostituire (dopo averlo distrutto) a pocoa poco lo strato di inversione notturna (èla cosiddetta «erosione dell'inversione»).Gli inquinanti, che durante la notte sierano accumulati nello strato fortementestabile, vengono rapidamente portati alsuolo dai moti convettivi che si sviluppa-no entro lo strato rimescolato. Quest'ul-timo fenomeno, che vien detto «fumiga-zione», può causare concentrazioni alsuolo elevate e dura fino a che il limitesuperiore dello strato rimescolato non hasuperato la quota raggiunta dall'inversio-ne notturna (il che avviene, secondo lenostre misure, 3 o 4 ore dopo l'alba).

In realtà il ciclo diurno raramente sipresenta in modo così schematico e sem-plificato, poiché la nuvolosità e il vento ne

VARIABILIMETEOROLOGICHE

SENSORIDIRETTI

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Velocità e direzione delvento al suolo o a quotefisse

Fluttuazioni turbolentedella velocità e direzione(misure dimicroturbolenza)

Profili verticali di velocitàe direzione del vento egradienti di velocità

Traiettorie dell'aria

Temperatura

Profili verticalidi temperatura

Pressione

Umidità relativae punto di rugiada

Radiazione solare

Radiazione netta

Precipitazioni

Anemometri meccanici acoppette o a elica(ventola)

Ane.nometri triassialimeccanici

Anemometri a filo caldo oa film caldo (a corrente otemperatura costante)

Anemometri sonici

Anemometri dei vari tipiposti su torrimeteorologiche o lungocamini o su alture a quotediverse

Palloncini Pilot

Palloni sonda

Palloncini equilibrati

Tetroon

Termometri a mercurio,termocoppie,termoresistenze

Termometri montati sutorre, radiosonde appese apalloni frenati o liberi oaerotrasportate

Barometri, barografi,trasduttori meccanici

Termometri a bulbobagnato, psicrometri,igrometri, strips Li-CI ealtri composti chimici

Solarimetri, piranografi

Net-radiometri

Pluviometri, nivometri

Trasduzione elettrica di unsegnale meccanico

Trasduzione elettrica di unsegnale meccanico

Variazioni della resistenzadell'elemento sensibile (filo o filmcaldo) in funzione della velocitàdel vento

Dipendenza del tempo di transitodi un impulso acustico dallecaratteristiche del mezzo in cui sipropaga (aria)

Trasduzione elettrica di unsegnale meccanico

Inseguimento mediante teodolitiaerologici o telemetri laser oradar di un palloncino con spintaascensionale costante

Inseguimento via radar o contecniche radio

Inseguimento mediante teodolitiaerologici di un palloncinoequilibrato (spinta ascensionalenulla)

Inseguimento via radar o radio(i tetroon sono palloni di formatetraedrica a volume costante)

Trasduzione elettrica o meccanica

Trasduzione via radio o via cavodi segnali elettrici

Trasduzione elettrica di segnalimeccanici

Trasduzione elettrica o meccanica

Misura della radiazione diretta ediffusa

Misura della radiazione nettamediante termopila

Pesatura del precipitato e misuradel livello

Gli strumenti meteorologici possono essere suddivisi in sensori a misura diretta e in sensori atelerilevamento (si veda la tabella alla pagina successiva). I primi qui elencati sono quelli chemisurano direttamente le grandezze fisiche del mezzo (atmosfera) in cui essi stessi sono posti.

o 9INDICATOREDI ENERGIADI USCITA

LASER A IMPULSI

UNITA DI RICEZIONEE PRESENTAZIONE DATI

FOTO- r

OLTIPLICATORE

\ CATENADI AMPLIFICAZIONE INTERRUTTORE OTTICO

TELESCOPIODI COLLIMAZIONERUBINO

UNITA DI TRIGGER

LENTICOLLIMATRICIFILTRI

TELESCOPIO RICEVENTE

FENDITURA

In figura è riportato lo schema di funzionamento del lidar (acronimo diLight Detection And Ranging). L'emissione degli impulsi, della duratadi alcuni nanosecondi, con alta potenza di picco, avviene per mezzo diun interrutore ottico (Pockels-cell) che, se chiuso, interdice l'emissionelaser dando modo alla inversione delle popolazioni dei livelli energeticidi raggiungere valori estremamente elevati; la sua apertura istantaneainnesca l'azione laser in condizioni che consentono amplificazionid'onda estremamente elevate. La cella di Pockels ha il compito dilasciar passare la radiazione polarizzata attraverso un cristallo aniso-

tropo al quale sia stata applicata una tensione di alcune migliaia di volt(5 -- 6 kV). Quando l'energia trasmessa dal laser passa attraversol'atmosfera, le molecole di gas e le particelle incontrate retrodiffondo-no parte della radiazione incidente in direzione del lidar dove vieneraccolta da un telescopio in configurazione di Cassegrain e trasmessa aun fotomoltiplicatore e di qui, attraverso una catena di amplificazione,viene mandata su una unità di ricezione e di presentazione dati (segnaleanalogico). Il filtro a interferenza, posto prima del fotomoltiplicatore,serve a tagliare il più possibile la radiazione a larga banda del Sole.

3233

primi approcci teorici al problema del-la diffusione atmosferica sono consi-

stiti nel tentativo di applicarvi gli schemi ei concetti (quali il coefficente di diffusio-ne, il libero cammino medio, l'equazionedi diffusione) che si erano rivelati adatti atrattare la diffusione molecolare (sia disostanze in sospensione che di calore,ecc.). L'introduzione del coefficiente didiffusione è legata all'ipotesi che, in pre-senza di un gradiente di concentrazionedella quantità fisica che viene diffusa, iltasso locale di trasporto di tale quantitàsia legato al gradiente da un fattore diproporzionalità che prende appunto ilnome di coefficiente di diffusione. L'ap-plicazione di tale modello all'atmosferaimplica un'analogia tra i processi di agita-zione molecolare e i vortici della turbo-lenza dell'aria. Tale ipotesi è fisicamentediscutibile, ma ha portato a risultati inco-raggianti in alcune situazioni. Mentre,infatti, nel caso molecolare gli effetti delladiffusione si misurano su distanze chesono molto grandi rispetto alle scale tipi-che del moto (libero cammino medio), ciònon avviene sempre in atmosfera (il con-tinuo serpeggiamento di un pennacchio di

fumo è un esempio evidente dell'azione dimoti dispersivi che agiscono su scale mag-giori della sezione del pennacchio). No-nostante questa limitazione di principio,la teoria del gradiente, a causa anche dellasua semplicità formale, trova una grandeapplicazione presso vari autori. In parti-colare, è stata utilizzata con successo an-che dal nostro gruppo per valutare il pro-filo termico verticale che si viene a crearedi notte entro lo strato di inversione dairraggiamento.

Un altro metodo «molecolare» a essereapplicato all'atmosfera è stato quello delmoto browniano, in cui la trattazione delcammino delle molecole quale insieme dipassi di uguale lunghezza distribuiti ca-sualmente in ogni direzione ha condottoal risultato che la distanza media percorsada una molecola è proporzionale alla ra-dice quadrata del tempo trascorso dall'i-nizio del moto. L'applicazione di talemetodo all'atmosfera non può prescinde-re dal fatto che in essa agiscono vortici discala diversa, e con diversa frequenza sta-tistica. Appare necessario tener conto delcoefficiente di correlazione tra le fluttua-zioni del vento a istanti diversi, come sug-

gerito da Taylor nel 1921, e ciò conduce auna dipendenza della dispersione dallaradice quadrata del tempo solo per tempilunghi (se confrontati con le scale tipichedei moti turbolenti) mentre per tempibrevi la dispersione è direttamente pro-porzionale al tempo. L'acquisizione didati statistici sulle fluttuazioni di velocitàa cui è sottoposto un piccolo volume diaria nel corso del suo moto (statistica det-ta lagrangiana) viene effettuata con l'usodi traccianti. A differenza di quanto av-viene per le registrazioni di fluttuazionidella velocità del vento in un punto fissomediante anemometri (statistica dettaeuleriana), le misure con i traccianti sononecessariamente intermittenti, e non sipossono svolgere in modo completamen-te automatizzato. Nasce pertanto l'esi-genza di trovare un legame tra questi duetipi di statistica. J. S. Hay e Pasquill hannosuggerito che, affinché le due rappresen-tazioni conducano allo stesso valore didispersione, è necessario che i due tempicaratteristici di scala (euleriano e lagran-giano) siano fra loro proporzionali. Do-vendo fare delle operazioni di media pergiungere a stime di dispersione di mate-

riale in sospensione. quanto più sopraesposto significa che per ottenere da mi-sure anemometriche lo stesso risultatoche si sarebbe ottenuto da misure di trac-cianti, per le stesse distanze sottovento,basterà operare con un tempo di mediaridotto di un fattore che tenga conto delrapporto fra le due scale, rispetto a quelloche si sarebbe usato nel caso lagrangiano.

D oiché nelle applicazioni pratiche ap-pare desiderabile poter fornire stime

di diffusione in base a dati meteorologicifacilmente disponibili (e che pertanto noncomportino misure dettagliate di fluttua-zioni del vento), oppure effettuare previ-sioni di massima in località non ancorastudiate da un punto di vista meteorologi-co. sono state suggerite da numerosi auto-ri alcune schematizzazioni dei processidiffusivi. in cui la concentrazione dell'in-quinante attorno alla sua quota di livel-lamento è supposta essere distribuita inmodo gaussiano sia sul piano verticale siasu quello orizzontale. Tale assunzione,anche se non è pienamente giustificata, siè rivelata in discreto accordo con i datisperimentali, specialmente quando essiriguardano valori mediati su intervalli ditempo dell'ordine della mezz'ora o più.Essa ha inoltre notevoli vantaggi di natu-ra statistica, primo fra i quali è quello difar sì che la forma della distribuzione siacompletamente determinata dai suoi dueprimi momenti: valore medio e deviazio-ne standard. In particolare, si definisconodue diverse deviazioni standard (0, ed))rispettivamente in riferimento al pianoverticale e orizzontale. Non si tiene contodella deviazione standard lungo la dire-zione x (che è la direzione del vento me-dio), in quanto il termine di trasporto(proporzionale alla velocità del vento)prevale su quello diffusivo (dovuto allaturbolenza). Questa ipotesi cessa però divalere per velocità del vento molto basse.a, e a, saranno funzione, fra l'altro, dellecondizioni meteorologiche esistenti e, atal proposito, numerosi metodi empiricisono stati proposti per la loro valutazione.Alla base di tali metodi vi è la suddivisio-ne delle caratteristiche dispersive del-l'atmosfera in classi di stabilità, in corri-spondenza delle quali vengono definiteespressioni di a, e cr, in funzione della di-stanza sottovento che sono state ricavateda dati sperimentali. La stabilità vienedeterminata in base a dati meteorologiciessenziali e facilmente rilevabili, qualil'irraggiamento solare, lo stato di coper-tura del cielo e la velocità del vento alsuolo. La prima di tali classificazioni, eancora oggi la più usata, è quella dovuta aPasquill.

uesti cenni alla fenomenologia e alleteorie fondamentali della disper-

sione di inquinanti in atmosfera eviden-ziano, a nostro parere, la complessità diquesti tipi di studio, specialmente in rela-zione all'estrema variabilità delle gran-dezze in gioco. Se alle considerazionisuddette si aggiungono le complicazioniulteriori prodotte dalla struttura orogra-fica e morfologica dei siti «reali» in cui gli

PROIEZIONE ORIZZONTALE

I I I 200 400 600

DISTANZA SOTTOVENTO (METRI)

800

VARIABILIMETEOROLOGICHE

O CHIMICHE

SENSORIA TELERILEVAMENTO

TIPO PRINCIPIO DIFUNZIONAMENTO

Temperatura e stabilitàatmosferica, spessoredello strato rimescolato

Emissività del terreno

Visibilità, nebbia

Altezza nubi

Umidità

Velocità e direzionedel vento

Misura integrata diconcentrazione alsuolo di inquinantitossici (SO2, NO2)

Dimensioni e strutturafisico-chimica deipennacchi di fumo

Lidar (vari tipi, siabistatici chemonostatici)

Radiometro amicroonde

Sodar

Rass

Radar

Radiometroall'infrarosso

Trasmissometro

Telefotometri,fotometri a Sole

Nefelometro

Igrometri all'infrarosso

Anemometro laser(laser Doppler)

Telemetria laser

Spettrofotometro acorrelazione dimaschera

Lidar conspettrofotometro acorrelazione dimaschera

A. El

A, El

A, Ac

A, El,Ac

A, El

P, El

A, El

P, El

A, El

A, El

A, El

A, P,El

A, El

Analisi della retrodiffusionedelle particelle

Emissione nella banda 50-60GHz dell'02

Retrodiffusione dovuta allefluttuazioni termiche

Analisi di un'onda acusticaper mezzo di un radarDoppler

Analisi di due impulsimediante effetto Doppler

Aviotrasportato, misural'emissione del suolo nellabanda IR

Attenuazione del fascio diluce in atmosfera dovuto adassorbimento

Attenuazione modulata difrequenze tipiche diemissione del Sole e analisiper confronto fra radiazionesolare e radiazione diemissione

Retrodiffusione atmosferica

Misura di assorbimento dellaradiazione infrarossa perconfronto con la banda diassorbimento del vapord'acqua (1,37p m)

Misure di ritardo, su un fasciolaser continuo, per effettoDoppler

Teleinseguimento

Confronto di concentrazionidi SO2 e NO2 mediante analisispettrale

Analisi della retrodiffusionedelle particelle più analisispettrale delle concentrazionidi inquinanti gassosi

I sensori a telerilevamento consentono misure a distanza perché basano il loro funzionamen-to sull'analisi dell'effetto del mezzo su un'onda elettromagnetica (EI) o acustica (Ac) che visi propaga. Nel caso in cui tali sensori utilizzino onde emesse dall'ambiente, essi sono chia-mati passivi (P), mentre nel caso in cui le onde siano emesse artificialmente si dicono attivi (A).

impianti industriali sono stati costruiti oin cui si progetta di installarli, si capiscecome le metodologie sperimentali deb-bano, di necessità, essere molteplici ecomplesse.

Un'indagine sperimentale che vogliaconseguire risultati attendibili deve per-tanto essere condotta disponendo, inopportuni punti del sito in esame, stru-menti in grado di misurare contempora-neamente i parametri di interesse e le lorovariazioni sia nel tempo che nello spazio.Mentre le misure al livello del suolo pos-sono essere pressoché automatizzate, ri-chiedendo quindi solo controlli saltuarida parte degli operatori, le misure in quo-ta (che sono le più importanti per quantodetto) richiedono quasi sempre la presen-za continua di personale. Ciò limita difatto la durata e il numero delle misura-zioni effettuabili, rendendo quindi impos-sibile eseguire le misurazioni col dettagliospazio-temporale che sarebbe necessario.In particolare, questo fatto costituisceuna limitazione al contributo che la spe-rimentazione porta alla comprensione fi-sica dei processi diffusivi. Ciò nonostante,è solo acquisendo nuove conoscenze tra-mite l'osservazione e la misurazione incampo dei fenomeni che si può cercare dicolmare il divario conoscitivo che si vienea creare fra i modelli proposti per valutarequantitativamente i livelli di concentra-zione al suolo e i risultati delle misurazio-ni di detti valori, ottenuti, in genere, conreti fisse di monitoraggio costituite daprelevatori puntuali. Detti prelevatori,che funzionano in modo completamenteautomatizzato, analizzano campioni d'a-ria e forniscono i valori di concentrazionemediati su un certo intervallo di tempo(solitamente mezz'ora). Essi hanno ormaiincontrato una certa diffusione commer-ciale presso gli enti pubblici (amministra-zioni locali) e le grosse industrie. Vengo-no dislocati in modo da formare una retedi monitoraggio atta a segnalare tempe-stivamente situazioni particolarmentepericolose.

I prelevatori puntuali sono indubbia-mente gli strumenti più adatti a segnalareil superamento di valori critici di concen-trazione in un punto di particolare inte-resse, ma mostrano il fianco ad alcunecritiche. Se da un lato, infatti, è utile co-noscere quando in una certa zona si supe-rano i limiti di tollerabilità di un certoinquinante, questa informazione divienepoi pressoché inutile se non si sa su qualiimpianti intervenire per ridurre le con-centrazioni al suolo. In altri termini, comeè ovvio del resto, una rete di monitorag-gio non è in grado, da sola, di discriminarefra tutte le sorgenti emettenti in una certaarea, quelle che contribuiscono mag-giormente, in quella situazione particola-re, ad aumentare i livelli di concentrazio-ne misurati da un certo prelevatore. Do-vendo necessariamente limitare il nume-ro dei misuratori, sorge inoltre l'esigenzadi ubicarli nei luoghi più significativi, valea dire in quelle zone ove si possono ri-scontrare i livelli di inquinamento più ele-vati. Da tutto ciò deriva, come già ricor-dato, la necessità di una conoscenza il più

possibile accurata della situazione meteo-rologica locale e della messa a punto di unmodello predittivo il più possibile aderen-te alla realtà.

Gli strumenti oggi in commercio chepossono utilmente essere impiegati du-rante una campagna di misurazioni sonotroppi perché un esame dettagliato delleloro peculiarità e prestazioni possa essereaffrontato in questa sede. Per una loropanoramica si vedano la tabella a pagina33 e la tabella nella pagina a fronte; qui cioccuperemo di quelli che, vuoi per l'im-portanza della grandezza fisica misurata,vuoi per i principi su cui si basano, sem-brano essere di maggior interesse. Recen-temente l'attività sperimentale in campomicrometeorologico ha potuto compiereun notevole salto sia qualitativo sia quan-titativo grazie all'estendersi delle tecni-che di misurazione a distanza (telerileva-mento o remote sensing). A differenzadelle tecniche più tradizionali in cui lastrumentazione impiegata viene utilizzataper misurare le grandezze fisico-chimichedel mezzo in cui si trova lo strumento (siparlerà in questo caso di strumenti a mi-sura diretta), uno strumento di remotesensing ne consente indirettamente lamisura a distanza poiché analizza l'effettoda esso esercitato sulle caratteristiche dipropagazione di una onda elettromagne-tica o acustica.

Il primo sensore per il telerilevamentoa ottenere un grande successo in meteoro-logia, a parte l'occhio umano e la macchi-na fotografica, è stato il radar a microon-de (1950). Mentre la macchina fotografi-ca si può considerare la capostipite deitelesensori passivi, vale a dire di quei sen-sori che utilizzano onde elettromagneti-che o acustiche emesse direttamente dal-l'ambiente in cui si opera, il radar è ilprimo esempio di una serie di strumenti incui le radioonde vengono emesse artifi-cialmente, interagiscono con il mezzo dicui si vogliono misurare le caratteristiche,e vengono quindi analizzate. L'attenua-zione che tali onde subiscono nell'attra-versare l'atmosfera esercita una limita-zione, variabile con le condizioni di opaci-tà, sulla distanza utile entro la quale lostrumento di telerilevamento può opera-re. Tale effetto è tanto più evidente quan-to più la lunghezza d'onda della radiazio-ne usata si avvicina alle dimensioni delleparticelle che nell'atmosfera sono re-sponsabili dell'attenuazione (da diffusio-ne) del fascio in questione. Poiché incampo micrometeorologico sono moltospesso proprio tali particelle a essere l'og-getto di studio, è necessario operare, ovepossibile, con potenze elevate e con rive-latori a elevata sensibilità.

La corsa alla realizzazione di strumentisempre più potenti e raffinati che si verifi-ca molto spesso con l'introduzione di unanuova tecnica di misurazione ha però quitrovato un ostacolo naturale nell'ambien-te stesso in cui tali strumenti devono ope-rare; poiché il loro impiego avviene spes-so in presenza di forti escursioni termichee inoltre richiede la loro collocazione sumezzi mobili è sempre necessario giunge-re a un compromesso nella scelta delle

800

600

400

200

2 4 6 90 180DIREZIONE

VELOCITÀ DEL VENTO (m/s) DEL VENTO (GRADI)

1000

800

600

uJ

E

2NN

400

200

Il lidar permette di determinare la posizione e le dimensioni di un pennacchio di fumo, la cui formae sviluppo sottovento (d) sono strettamente legati ai parametri meteorologici che influenzano ladiffusione atmosferica. D'altro canto, conoscendo la forma di un pennacchio, è possibile risalireall'andamento della direzione e velocità del vento e della temperatura relativi allo strato interessa-to dalla risalita del fumo. Si può notare nella figura che: la diminuzione della v elocità del vento (b)è legata a un notevole aumento della dimensione N erticale del pennacchio; il cambiamento didirezione del vento (e) si riflette sull'andamento della sezione orizzontale del pennacchio; laforma del pennacchio (coning-fanning) è tipica di un profilo di temperatura come quello in a.

10 12 14 16

TEMPERATURA (°C)

34

35

loro caratteristiche di potenza, ingombro,robustezza e affidabilità.

Come è stato già osservato in prece-denza i parametri meteorologici

fondamentali nel descrivere le caratteri-stiche fisiche dell'atmosfera sono le varia-zioni di temperatura, velocità e direzionedel vento con la quota. I dati anemologicisi ottengono dalla determinazione (me-diante teodoliti, telemetri laser o radar)della traiettoria di un palloncino gonfiatocon un gas più leggero dell'aria (elio oidrogeno) e lasciato salire liberamentenell'atmosfera.

I profili di temperatura si possono in-vece ottenere mediante l'uso di sonderadiotrasmittenti che vengono trascinatenell'atmosfera da un pallone sonda pertrasmettere a terra i dati di pressione,temperatura e umidità dell'aria. La tec-nica dei palloni sonda è ampiamente usa-ta in meteorologia per conoscere la tem-peratura dell'aria fino ad altezze dell'or-dine delle decine di chilometri. Poichénel campo degli studi di diffusione atmo-sferica a scala locale si è interessati adavere la maggiore risoluzione possibile

entro uno strato limitato ai primi 500 o600 metri di atmosfera, viene in genereimpiegato un «pallone frenato». Il siste-ma è identico a quello precedente salvo ilfatto che il pallone sonda non è lasciatolibero di salire, ma è trattenuto da uncavo che ne regola quindi la salita e chepermette di ricuperare, dopo ogni misu-razione, la sonda. Quando le dimensionidel pallone lo consentono, questo siste-ma permette di collegare un certo nume-ro di sonde al cavo di traino, ottenendocosì profili più simultanei. Il sistema delpallone frenato ha una forte limitazionedovuta al fatto che, quando il vento su-pera un determinato valore di soglia(dipendente dalle caratteristiche aerodi-namiche del pallone), non è più possibileinnalzarlo.

Se ora passiamo dai sensori a misuradiretta appena discussi (e che pur rap-presentando un po' il «medioevo» del-la strumentazione meteorologica sonoancora oggi insuperati nel loro campospecifico) a quelli di telerilevamentotroviamo, fra i più interessanti, i li-dar e gli spettrometri a correlazione dimaschera.

Il lidar (acronimo di Light Detection And Ranging) è un particolare tipo di

radar che utilizza onde elettromagnetichenel visibile, usando come sorgente diemissione un laser, per rivelare la presen-za di aerosol o di particelle in sospensionenell'atmosfera. Il suo sviluppo (1965) si èreso possibile in seguito alla messa a pun-to dei laser a impulsi. La necessità dellarealizzazione di un tale strumento nascedal fatto che il radar a onde centimetrichenon permette, per le ben note leggi dellosparpagliamento della radiazione da par-te dei centri diffusori, di «vedere» le par-ticelle aventi dimensioni comprese fra10-2 e 10 2 micrometri. Queste ultime in-fatti retrodiffondono la radiazione elet-tromagnetica emessa dal radar all'incircacome le molecole dei gas atmosferici, con-fondendosi così nel cosiddetto «fondomolecolare». Per rilevare la presenza diaerosol è quindi necessario disporre diradiazioni elettromagnetiche le cui lun-ghezze d'onda siano dell'ordine di gran-dezza dei diametri delle particelle in esa-me e pertanto comprese nella regione del-lo spettro elettromagnetico del visibile odel vicino infrarosso (0,2-2 micrometri).

200 SPESSORE OTTICODELLA SO2 (ppm x m)

E

E

_100

700

600

z(m)

500

400

300

SEZIONI VERTICALIDEL PENNACCHIO (LIDAR)

PROFILI DI CONCENTRAZIONEDI SO2 (SPETTROMETRO)

ANDAMENTO PREVISTO(FORMULA DI INNALZAMENTO DI BRIGGS)

200 400 600

800 1000

DISTANZA SOTTOVENTO (METRI)

Una interessante innovazione nelle tecniche antinquinamento è stataportata dalla introduzione del remote sensing attivo per la ricostruzionegeometrico-strutturale dei pennacchi di fumo. L'accoppiamento lidar--spettrometro a correlazione permette di rilevare contemporaneamen-

te sia la posizione, le dimensioni e i livelli di concentrazione di particola-to solido (lidar), sia gli andamenti dello spessore ottico di gas inquinanti(spettrometro). Lo spessore ottico è dato dal prodotto della lunghezzadel percorso sorgente-strumento per la concentrazione media di S02.

AMBIENTEE

INQUINAMENTO

LE SCIENZE edizione italiana di

SCIENTIFIC AMERICANha pubblicato su questo argo-mento numerosi articoli tra cui:

CIRCOLAZIONE GLOBALEDELL'INQUINAMENTO

ATMOSFERICOdi R. E.Newell (n. 32)

INQUINAMENTO DA MERCURIOdi L. J. Goldwater (n. 36)

ENERGIA «PULITA»DA COMBUSTIBILI «SPORCHI»

di A. M. Squires (n. 53)

L'ELIMINAZIONEDEI RIFIUTI NELL'OCEANO

di W. Baseom (n. 76)

FARFALLE MELANICHEE ARIA PULITA

di J. A. Bishop e L. M. Cook (n. 81)

CATRAME PELAGICOdi J. N. Butler (n. 86)

L'INQUINAMENTO DA TRIZIOdi G. Zamparo (n. 90)

EFFETTI ANTROPOGENICISULL'OZONOSFERAdi F. Verniani (n. 102)

IL CONFINAMENTODELLE SCORIE RADIOATTIVE

di B. L. Cohen (n. 110)

IL PROBLEMADELL'ANIDRIDE CARBONICA

di G. M. Woodwell (n. 115)

INQUINAMENTO DA PCBdi H. Suzuki (n. 116)

Queste lunghezze d'onda, che sono quelleutilizzate dal lidar, permettono di distin-guere lo sparpagliamento prodotto dallemolecole dei gas atmosferici (diffusionedi Rayleigh) da quello generato dagli ae-rosol e dalle particelle inquinanti (diffu-sione di Mie).

Dall'analisi quantitativa e qualitativadegli echi lidar si rivela la presenza diparticelle responsabili della retrodiffu-sione (aerosol, gocce d'acqua in sospen-sione, particelle di polveri) e se ne deter-mina la posizione. È pertanto possibileutilizzare queste informazioni sia per rive-lare particolari situazioni meteorologicheche ne favoriscono l'accumulo, sia perdeterminare la posizione e le caratteristi-che geometriche e strutturali dei pennac-chi di fumo o di nubi di inquinanti infunzione del tempo e della distanza dallasorgente.

Nel primo caso lo strumento viene pun-tato in verticale e dall'analisi dell'eco sipuò calcolare sia lo spessore dello stratorimescolato che la quota a cui si trova labase di uno strato di inversione termica(presenza di un consistente addensamen-to di particelle deducibile da una discon-tinuità nell'eco). Questa tecnica, in paral-lelo con misurazioni di temperatura effet-tuate con l'uso di un pallone frenato, èstata utilizzata dal nostro gruppo in ValPadana.

Per la determinazione della posizione edelle dimensioni geometriche dei pen-nacchi di fumo o delle nubi di vaporeemesse dalle torri di raffreddamento, illidar deve invece essere posto in una posi-zione il più possibile perpendicolare al-l'asse del pennacchio per permetterneuna buona prospezione. Tali misure han-no permesso, fra l'altro, di verificare lavalidità delle formule di innalzamento deipennacchi riportate in letteratura ed,eventualmente, di modificarle.

T a tecnica della spettrometria a correla-1-2 zione di maschera, sviluppatasi inquesti ultimi anni, permette di mi-;urare adistanza le concentrazioni di alcuni inqui-nanti gassosi (in genere anidride solforosae biossido d'azoto) ed è stata applicatacon successo nel corso delle campagnesperimentali, sia perché fornisce misureintegrate su una certa distanza (a diffe-renza dei prelevatori puntuali che misu-rano solamente la concentrazione esisten-te in un determinato punto), sia perchéconsente una misura, effettuabile al suo-lo, della quantità di anidride solforosa(SO2) o di biossido d'azoto (NO2) presen-ti nell'atmosfera.

Tale tipo di spettrometria rappresentauna estensione all'atmosfera del metodogià adottato da tempo per misure inlaboratorio, basato sul confronto tra lospettro di assorbimento di un cafflpioneda analizzare e quello di un campione incui il gas in esame è presente in concen-trazione nota. Nella spettrometria a cor-relazione di maschera si fa uso di unasorgente emettente radiazioni luminosenella regione spettrale di assorbimentodel gas (tale sorgente può essere sia unalampada sia il Sole o la radiazione diffu-

sa dal cielo), e di un sistema di ricezio-ne, in cui la radiazione in arrivo è con-frontata, all'uscita di uno spettrometro,con una serie di fenditure fotoincise suuna maschera (da cui il nome della sud-detta tecnica) le quali riproducono lospettro a bande del gas. Un sistema elet-tronico di elaborazione dei segnali all'u-scita di un fotorivelatore consente infinedi effettuare la misurazione voluta; siottiene infatti un segnale significativo dicorrelazione solamente se il gas in esa-me è presente nel tratto di percorsoatmosferico compreso tra la sorgente diradiazione e lo strumento. In questomodo si può risalire alla concentrazionemedia con cui l'inquinante esaminatocompare nel tratto di cammino otticoche separa lo strumento dalla sorgenteluminosa. L'uso di una sorgente di luceartificiale presenta l'indubbio vantaggiodella precisa conoscenza delle caratteri-stiche del fascio luminoso emesso e delladistanza tra il ricevitore e la sorgente.La sorgente artificiale è costituita gene-ralmente da una lampada allo xeno conpotenze variabili fra 500 e 2000 watt,modulata elettronicamente e dotata diun sistema ottico in configurazione diCassegrain per concentrare maggior-mente il fascio luminoso. Con tali lam-pade e in condizioni di particolare lim-pidezza atmosferica è stato possibile ef-fettuare misurazioni su cammini ottici di6-7 chilometri. Nella sua configurazionedi strumento per il remote sensing pas-sivo (uso del Sole o della luminosità dif-fusa del cielo quale sorgente di radia-zione) lo spettrometro fornisce valuta-zioni quantitative sia della localizzazioneche della concentrazione di alcuni in-quinanti gassosi nell'atmosfera.

Grazie al suo ingombro ridotto, taletipo di strumento è già da alcuni anniutilizzato dagli enti preposti al controllodelle emissioni industriali per una velocelocalizzazione spaziale della presenza diSO2 nell'atmosfera allo scopo di discri-minare fra i contributi delle varie sor-genti presenti. In questo caso lo stru-mento, in puntamento verticale e confi-gurazione passiva, viene montato su unautomezzo che percorre a velocità co-stante un percorso di lunghezza notamisurando la quantità di gas presentesulla verticale. Il semplice passaggio aldi sotto di un pennacchio a breve di-stanza dalla sorgente ha permesso di ri-salire in alcuni casi alla determinazionedella quantità di inquinante emesso conuna buona precisione (tutte le operazio-ni si svolgono in questi casi in temporeale grazie all'aiuto di un piccolo calco-latore a bordo del mezzo).

La possibilità di impiegare spettrometria correlazione di maschera quali elementidi reti di monitoraggio in sostituzione o inparallelo all'uso dei prelevatori puntuali èancora oggetto di discussione, poichénonostante il loro maggior raggio di azio-ne richiedono un'assistenza pressochécontinua e inoltre, fornendo una misuramediata sul percorso ottico, non possonorivelare i picchi di concentrazione localiz-zati in zone ristrette.

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