Condizioni meteorologiche e dispersione

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1 Condizioni meteorologiche e dispersione Smog fotochimico sulla Pianura Padana, febbraio 2003

2 Sommario Condizioni sinottiche favorevoli all accumulo/dispersione degli inquinanti Fenomeni locali che influenzano la dispersione Inversione termica Nubi del PBL Nebbia Brezza di valle Brezza di mare Episodi d inquinamento intenso Episodi primari (scala locale) e secondari (scala regionale) Episodi estivi (ozono) e invernali (PM): esempio ed esercitazione

3 Condizioni sinottiche e dispersione Accumulo Dispersione:

4 Condizioni sinottiche e dispersione Accumulo Alta pressione (no precipitazioni + subsidenza) Poco vento Temperature massime elevate (O3 e secondari) Avvezione calda in quota (tipicamente SW): stabilizza Dispersione: Tutto quanto è maltempo (fronti, precipitazioni...) Vento forte Instabilità (avvezione fredda in quota, con o senza temporali) Vento che proviene da una zona pulita (p.es. mare escluso regime di brezza persistente) Nuvole: Sottraggono energia a PBL convettivo ( accumulo) ma ci sono anche situazioni in cui aumentano il rimescolamento D estate la copertura nelle ore calde inibisce formazione O3 (e altri secondari)

5 Nuvole del PBL Se l aria è sufficientemente umida e il rimescolamento sufficientemente intenso, nella parte più alta del PBL il vapore condensa formando nubi stratificate (statocumuli) Frequenti d inverno o sul mare; d estate sulla terra predominano le termiche nubi cumuliformi (discontinue) Nota a latere: nubi di questo tipo coprono grandi estensioni di oceani tropicali e probabilmente hanno un grande impatto sul clima (influenzano l albedo complessivo della terra)

6 Nuvole del PBL: bilancio radiativo Nel visibile la nube è semi-trasparente assorbe si scalda (prevalentemente in alto) albedo elevato e trasparenza riducono il riscaldamento Nell infrarosso la nube è opaca (si comporta come un corpo nero). la superficie inferiore si riscalda (assorbe irraggiamento terrestre), quella superiore si raffredda L ultimo meccanismo è decisamente il più efficiente

7 Nuvole del PBL: effetti sul rimescolamento Esempi di situazioni in cui la presenza delle nubi aumenta il mescolamento dello strato sottostante, nonostante la nube sottragga energia al rimescolamento convettivo: Convezione inversa per raffreddamento radiativo al cloud top Richiamo di aria secca dall atmosfera libera e conseguente raffreddamento per evaporazione della nube. Possono esserci nubi stratificate alla cima del PBL anche quando il riscaldamento diurno della superficie non è molto importante: Turbolenza meccanica Avvezione fredda nella parte alta del PBL o calda nella parte bassa (sufficienti piccole differenze di T)

8 Le inversioni termiche Strato di atmosfera molto stabile T cresce con la quota (o cala poco) Intrappola gli inquinanti Disaccoppiamento tra circolazione sopra e sotto Al suolo: raffreddamento radiativo della superficie In quota: sopra PBL convettivo per avvezione calda in quota (possibili inversioni multiple) sopra nubi stratificate (la cima delle nubi si raffredda per irraggiamento)

9 La nebbia (1) Che cos è: Definizione WMO: nube al suolo con visibilità ridotta a meno di 1 km Contenuto d acqua (liquida): variabile, da 0.01 a 1 g/m 3 per confronto: densità dell aria 1200 g/m 3 densità vapor d acqua saturo: 5g/m 3 a 0 C e 18g/m 3 a 20 C Quando si forma? Come tutte le nubi, quando una massa d aria umida si raffredda al di sotto della temperatura di rugiada Situazione di calma sinottica (no vento, no pioggia) Grande stabilità atmosferica, inversione al suolo

10 La nebbia (2) Due meccanismi principali: nebbia di radiazione: di notte la superficie si raffredda per irraggiamento (IR) nebbia di avvezione: aria calda e umida trasportata su una superficie più fredda (tipicamente: da mare a terra in autunno )

11 La nebbia (3) Interazione tra nebbia e aerosol meccanismi complessi, con numerosi feed-back la composizione chimica e le dimensioni dell aerosol influenzano la formazione delle gocce e la loro dimensione la deposizione al suolo delle gocce di nebbia è un meccanismo molto efficiente per la rimozione dell aerosol Le reazioni eterogenee possono essere importanti sorgenti di aerosol secondari Nebbia e inquinamento Le condizioni in cui si forma sono le stesse che favoriscono l accumulo degli inquinanti d altra parte, un paio di giorni di nebbia persistente possono abbassare significativamente il PM10 Yuskiewicz et al, 1998

12 La brezza di mare (1) La capacità termica del mare è molto più alta di quella della terra la T sup del mare rimane costante durante il giorno, mentre quella della terra cambia notevolmente Al mattino, dopo il dissolvimento dell inversione notturna, l aria sulla terra comincia a salire, e richiama aria più fredda dal mare Il fronte della brezza è associato a cambiamenti in T, vento, umidità e a una maggiore turbolenza. Grandezze tipiche: spessore brezza m controbrezza: m penetrazione orizz.: decine di km velocità fronte: qualche m/s velocità brezza: 5 m/s Brezza di mare (giorno) Brezza di terra (notte)

13 La brezza di mare (2) Esempio: campagna di misure nella bassa valle del Garigliano (al confine tra Lazio e Campania) Situazione geografica: piana costiera di 10x15 km 2, circondata da montagne relativamente alte Radiosondaggi ogni 6 ore in un sito al centro della piana a 7 km dal mare

14 La brezza di mare (3) Giorno medio estivo, in condizioni di calma sinottica e cielo sereno. T (isolinee) e vento (1 barra = 2 nodi); le aree grigie evidenziano le inversioni termiche Andamento del vento: direzione (frecce) e modulo (numeri e isolinee). Venti più intensi nei primi 300 m di atmosfera Brezza di mare (giorno) più forte di quella di terra (notte)

15 La brezza di valle (1) Di notte l aria a contatto con la superficie si raffredda; siccome i versanti sono inclinati, non rimane ferma ma scivola lungo il pendio. Di giorno avviene l inverso. Questo meccanismo può essere intensificato dal fatto che i pendii più alti (prato e roccia) si riscaldano più rapidamente del fondovalle (boschi).

16 La brezza di valle (2) Schema tridimensionale della brezza di valle Notte Mattino Pomeriggio

17 Brezze e inquinamento Circolazioni locali, importanti nelle situazioni di calma sinottica Brezza di monte: grande influenza sulle condizioni d inquinamento di fondovalle; in presenza di emissioni locali (autostrade, industrie ) la persistenza dell inversione può portare a concentrazioni molto elevate difficile da modellare, necessarie informazioni meteo molto locali Brezza di mare: meccanismo significativo negli episodi di ozono nelle regioni costiere Di notte la brezza di terra trasporta ozono (e precursori) verso il mare In questo modo una parte dell ozono sopravvive alla distruzione notturna Il giorno dopo, la brezza di mare lo riporta sulla terra, dove si somma a quello che si sta formando in condizioni di calma sinottica, accumulo progressivo

18 Episodi di inquinamento intenso

19 Episodi primari Helsinki, marzo 1998; condizioni di calma sinottica picchi di PM molto elevati e localizzati (nel tempo e nello spazio) Episodio dominato da emissioni locali e dalla stabilità (doppia inversione termica)

20 Episodi di trasporto Alcuni episodi di inquinamento sono legati al trasporto a lunga distanza Eruzioni vulcaniche o emissioni accidentali (Chernobyl ) possono interessare un intero emisfero in tempi relativamente brevi (trasporto ad alta quota) Sabbia e spray marino possono portare alte concentrazioni dipm (trasporto a bassa quota). NB: probabilmente non tutto il PM è dannoso allo stesso modo Sabbia dal Sahara verso l Italia meridionale; ottobre 2004

21 Episodi secondari Quasi tutti gli episodi d inquinamento (in pianura padana) appartengono a questo gruppo PM10 in inverno, O 3 in estate Interessano una vasta area (scala regionale/nazionale) Guidati da meteorologia a scala sinottica Note varie (dall esperienza padana): La persistenza di condizioni meteo sfavorevoli genera accumulo progressivo. Hmix diurna elevata insufficiente se non c è ricambio della massa d aria (possibile anche richiamo d inquinanti da strati più alti) Per raggiungere i picchi d inquinamento più elevati bisogna che l alta pressione sia ben consolidata anche in quota. Andamento tipico: aumento graduale quasi lineare (valori tipici: 30 ppb al giorno per O 3, 30 µg/m 3 al giorno per PM10), calo più veloce associato a cambiamento delle condizioni meteo.

22 References Yuskiewicz B. A., D. Orsini, F. Stratmann, M. Wendisch, A. Wiedensohler, W. Wobrock and D. Schell, 1998: Changes in submicrometer particle distributions and light scattering during haze and fog events in a highly polluted environment. Beitr. zur Phys. der Atmos., 71, 33-45