L inquinamento atmosferico in Italia. Misure e modelli per comprendere i fenomeni e le tendenze.

Transcript

1 L inquinamento atmosferico in Italia. Misure e modelli per comprendere i fenomeni e le tendenze. VIII Congresso Nazionale sul Particolato Atmosferico PM2018. Matera, maggio Gabriele Zanini Responsabile Divisione Modelli e Tecnologie per la Riduzione degli Impatti Antropici e dei Rischi Naturali.

2 Il Laboratorio Inquinamento Atmosferico LUISELLA CIANCARELLA Responsabile 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 * sede ENEA Pisa * sede ENEA Ispra SEDI ROMA Ilaria D Elia, Alessandra De Marco, Pasquale Spezzano, Giovanni Vialetto

3 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, morti premature da PM2.5, NO 2, O 3 (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)

4

5 Fonte: ricerca FSS, 29 settembre Emissioni settoriali in Italia 2015

6 Fotochimica fase gassosa Vapori organici semi-volatili Emissioni particolato inorganico primarie ( polveri, ceneri, etc) Gas organici primari Emissioni di SO 2 Sale marino Emissioni particolato organico primarie ( OC, EC) Fotochimica fase gassosa Fotochimica fase gassosa HNO 3 H 2 O H 2 SO 4 Emissioni di NO x Emissioni di NH 3 Emissioni primarie di H 2 SO 4

7 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

8 Misure in laboratorio sulla composizione chimica del particolato Particolato atmosferico : PM 10, PM 2.5, PM 1 ; Frazione carboniosa del PM: TC, EC, OC, CC, WSOC; Elementi in traccia e metalli: ioni inorganici solubili in acqua: Cl -, NO 2-, NO 3-, SO 4 2-, Na +, K +, NH 4+, Ca 2+, Mg 2+ ; 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) Sampling of PM 10, PM 2.5, PM 1 : LVS-FAI HYDRA Dual Sampler (off-line analysis PM 10, PM 2.5, PM 1 )High Volume Andersen (off-line analysis, PM 10, PM 2.5 )

9 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 (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

10 Contributo della Combustione di Biomassa al PM Stima del contributo della combustione della biomassa legnosa al PM 10 calcolata attraverso la concentrazione di Levoglucosano (tracciante specifico). Area Suburbana

11 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;

12 Misure Online della composizione chimica del PM Caratterizzazione chimica del PM con strumenti ad alta risoluzione temporale ACSM (main components of non-refractory PM1) Identificazione delle sorgenti e apporzionamento Identificazione delle sorgenti Sunset OC/EC Analyzer AIM URG-9000D (cations and anions) Cicli giornalieri delle sorgenti Contributi dalle sorgenti

13 Air-liquid interface (ALI) esposizione di cellule polmonari a condizioni ambientali reali Selection of in vitro model for lung epithelia relevant for air pollution Identificazione di parametri che correlano composizione PM ed effetti biologici Culturing at ALI of in vitro models and transfer in the exposure apparatus. Carbonaceous Aerosol in Rome and Environs (CARE) Project 2017 Misure real time delle proprietà chimico (ACSM, EC/OC, URG- Ions) fisiche(smps) del PM Esposizione diretta a PM di diametro pari a quello misurato In tempo reale. Il protocollo di esposizione può essere selezionato in base al tempo di esposizione (da poche ore a 24 h) e ripetuto nel tempo. Identificazionedi descrittori fra effetti biologici ed esposizione

14 Il Sistema Modellistico Atmosferico (SMA) 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; Campi ECMWF RAMS Meteo Dati Locali Sottosistema METEO SURFPRO Inventari (ISPRA GAINS ed EMEP) Emission Manager Info spaziali e temporali Sottosistema EMISSIVO - 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; Parametri di turbolenza Emissioni - 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); Campi EMEP IC e BC Sottosistema CHIMICO-FISICO FARM Concentrazioni e Deposizioni Matrici di Trasferimento GAINS-Italia

15 Verificare la qualità dell aria a livello nazionale Concentrazioni annuali PM Mircea et al. (2014, Atm.Env.) Ciancarella et al. (2016, Technical Report ENEA) 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

16 Verificare l efficacia di soluzioni a microscala PMSS (Parallel Micro-SWIFT-SPRAY) applicazione a scala urbana PROJECT: URBESS :Nature Based Assessment Tool For Smart And Sustainable Urban Planning, Pathfinder Project: EIT Climate KIC Caso studio: Modena Meteo, landuse, obstacle description Viale Verdi PSWIFT Emissions High resolution 3D wind, temperature and turbulence fields PSPRAY 3D pollutant concentration field Citytree, a green infrastructure to abate air pollution by deposition on vegetated panels

17 URBESS PMSS set-up & principali risultati Simulation domains Δ% in PM Case study 1: Single City-tree (CT) La forma della regione influenzata dai cambiamenti della concentrazione cambia radicalmente in caso di singolo CT o di una barriera con più CT. Case study 2: City-tree Barrier (~153 CT) La forma della regione influenzata non dipende dalla velocità di deposizione.

18 Sistema nazionale di previsione della qualità dell aria ad alta risoluzione ForAir_IT. ForAir_IT 20 km 3 days forecast 4 km 3 days forecast 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 corre su ENEA CRESCO HPC Computing Infrastructure

19 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/m 3 per il PM10 (visibile dal 10 Ottobre)

20 VIIAS e MED HISS MED HISS Progetto nazionale, , 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, NO 2, O 3 EU LIFE+ Pilot project, , 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, NO 2, O 3 20

21 EU LIFE+ Pilot project, : MED HISS Riduzione della speranza di vita per area geografica in Italia a causa delle concentrazioni di PM2.5 ( 2010)

22 Progetto VIIAS: tassi di mortalità PM2.5 per ab. Elaborazioni ENEA Modello MINNI 22

23 IL PROGETTO VIIAS ( DECESSI PER CAUSE NON ACCIDENTALI ATTRIBUIBILI A PM2.5 PER RESIDENTI PER MACRO AREA GEOGRAFICA E REGIONE

24 Scenari ed efficacia. La Direttiva NEC. L accordo di Bacino Padano. Gli obiettivi ed i costi per le Regioni.

25 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.

26 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 SO 2, NO X, COVNM, NH 3 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 NH 3

27 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: 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 PM 2.5 tale da individuare lo scenario di minor costo che raggiunga il valore obiettivo di 20 mg/m 3 Scenario HEALTH: target in termini di riduzione dell esposizione tale che l esposizione totale nazionale sia la stessa nei due scenari - CONC - HEALTH

28 Politiche e misure: il tool di ottimizzazione 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 NH 3. Lo strumento fornisce indicazioni sulle possibili misure che potrebbero essere adottate a livello regionale e i relativi costi totali.

29 Il tool di ottimizzazione

30 Politiche e misure: il tool di ottimizzazione Risultati ottimizzazione in termini di misure per ridurre le emissioni al 2030 rispetto al baseline 2030 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. 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)

31 Misure Nazionali per Accordo Bacino Padano Risultati modello MINNI risoluzione orizzontale di 4 km. Concentrazione media PM2.5 Le misure nazionali per Accordo Bacino Padano prevedono misure nei seguenti settori: - Riscaldamento civile (decreto certificazione apparecchi combustione biomasse); BL 2020 BP 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. BL 2030 BP 2030

32 La sfida del cambiamento climatico 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? 32

33 Temperature future in Roma Roma-scenario RCP4.5: Surface Temp vs Roma-scenario RCP8.5: Surface Temp vs 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 Periodo di riferimento

34 Temperatura futura in Milano. Milano-scenario RCP4.5: Surface Temp vs Milano-scenario RCP8.5: Surface Temp vs 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 Periodo di riferimento

35 Qualità dell aria e cambiamento climatico Nature doi: /nature Aerosols: type/dimension Due approcci: Chimica semplificata con interazioni Chimica complessa senza interazioni Year201 0 RCM Jan2010 RCM/FAR M Radiative transfer SW/LW WRF WRF/FAR M Cloud and Convection RCM Turbolent diffusion RCM-WRF RCM/FARM- WRF/FARM

36 Qualità dell aria e variazione climatica: SCENARIO 2050 FORZANTE CLIMATICO 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 interannuale 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. ACCIMP FARM Emission Manager 36

37 PM2.5 variazione estiva con forzante climatico 37

38 EC variazione estiva con forzante climatico 38

39 Gabriele Zanini