Modellizazione dei flussi di ozono Alessandra De Marco Massimo D’Isidoro, Mihaela Mircea, Gaia Righini, Lina Vitali Bologna, 23-24 Marzo

Ozone pollution is a serious problem in remote areas where vegetation lives It is a secondary pollutant Elevated urban pollution favours its depletion Biogenic VOCs favour its formation Adversely to most of pollutants, ozone pollution is higher at remote sites than in the cities, as shown in this work, where ozone levels increase from New York to the surroundings and are considered the main reason why the growth of poplar is higher in the city than outside. As secondary pollutant, in fact, ozone can be formed even at long distance from precursors sources. Most importantly, the elevated urban pollution, in particular nitrogen oxide, favours its degradation while vegetation emits volatile compounds that are more reactive than anthropogenic hydrocarbons and thus increase ozone formation. Basically, ozone pollution is thus a typical problem to forests. Source: Gregg et al. 2003

European criteria to protect vegetation against ozone 40 AOT40: “Accumulated exposure Over a Threshold of 40 ppb, along a given daily time interval” Critical levels Ozone levels above which negative effects on receptors are expected, based on actual knowledge (UNECE 1996) Ozone levels above which negative effects on sensitive vegetation growth are expected, based on actual knowledge (ICP 2004) Thresholds UN-ECE distinguish between agricultural (3 ppm h from April to June), horticultural (6 ppm h for 3,5 months) and forest species (5 ppm h in growing season conventionally from April to September) 2008/50/EC Directive establishes only one critical level (9 ppm h) for all kind of vegetation type (from 8:00 to 20:00 in the time from May to July). Negli anni, i ricercatori hanno sviluppato una serie di indici di esposizione all’ozono, fra i quali il più rilevante per la vegetazione europea è l’AOT40, il quale presume che la vegetazione non subisca danni con concentrazioni inferiori a 40 ppb e quindi integra tutte le concentrazioni orarie eccedenti le 40 ppb durante le ore di luce, con l’assunto che al buio gli stomi siano chiusi e l’ozono quindi non possa entrare a danneggiare le piante. Sulla base dell’AOT40, l’Europa ha stabilito i suoi livelli critici per l’ozono, in un primo tempo definiti come quei livelli sopra cui ci si aspettano effetti negativi sulla crescita dei recettori (specie agricole, orticole, forestali), mentre oggi ci si riferisce alla vegetazione sensibile. i livelli normativi variano da 3, 5, 6 ppm h per i vari tipi di vegetazione (specie agrarie, forestali, orticole) per le nazioni che aderiscono all’UNECE, Italia inclusa, fino a 9 ppm h per tutti i tipi di vegetazione, secondo la così detta Direttiva figlia che entrerà in vigore dal 2010, vincolando tutti gli Stati membri dell’unione, Italia inclusa.

Ozone pollution in Europe is higher in Mediterranean countries Source: EEA 2004 The European area at higher ozone risk is the southern part, that’s also the area at higher risk of impact of climate change, as you can see in this map of sensitivity to desertification. Unfortunately, I don’t have data for Morocco. However, the whole Mediterranean basin is considered a delicate ecosystem as it is fluctuating among the tropical and sub-tropical climates and the temperate mid-European climates.

ppbxh AOT40 forest (sommatoria eccedente 40 ppb nelle ore di luce da aprile a settembre) Stazioni urbane Stazioni rurali e suburbane Il limite per la protezione delle foreste è 5000!!!!

Summary of present ozone standards for vegetation in Europe Area Receptor Indicator Time window Effect to be evaluated Value European Union Any kind of vegetation AOT40 May-July Any kind 9 ppm h b) as 5-yr (or 3-yr) average UN-ECE Agricultural crops 3-month growing season Yield reduction 3 ppm h in a year Horticultural crops 3.5-month growing season 6 ppm h in a year Annual-dominated (semi-)natural veg. Seed reduction Perennial-dominated semi-natural veg. 6-month growing season Growth reduction 5 ppm h in a year Forests growing season Crops AOT30vpd preceding 8 days Visible injury 0.16 ppm h in selected time Wheat AFst6 either 970°C days starting 270°C days before flowering or 55 days starting 15 days before mid-anthesis 1 mmol m-2 PLA in a year Potato either 1130°C days starting at plant emergence or 70 days starting at plant emergence 5 mmol m-2 PLA in a year Beech and Birch AFst1.6 4 mmol m-2 PLA in a year

From exposition to stomatal flux… Per questo, a livello UNECE, si vuole passare da un livello critico basato su quanto ozono c’è nell’ambiente (l’esposizione tipo AOT40), ad un livello basato su quanto ozono viene assorbito dalla pianta (il flusso stomatico). Come vedete nella simulazione per il faggio, questo riduce notevolmente il rischio da ozono per l’Italia. Questa è l’AOT40 e questo il flusso, in due diverse stagioni. Media 2000-2004 Tuovinen, J.-P., Simpson, D., Emberson, L. and Ashmore, M.: 2006, ‘Ozone deposition modelling in Europe: uptake maps and their robustness’, Environmental Pollution.

Flusso stomatico di ozono Concentrazioni di O3 Temperatura Contenuto idrico del suolo Radiazione solare Stadio fenologico Conduttanza stomatica

Possible causes of discrepancies between high ozone levels and low damage occurrence in Mediterranean area Experiments in controlled conditions Indicators not useful Environmental conditions unfavorable to ozone adsorption by plants Vegetation more resistant to ozone damage PAOLETTI E.: 2006, Impact of ozone on Mediterranean forests: A review. Invited paper in Environmental Pollution, in press Le possibili cause di incongruenza fra alti livelli di ozono e bassi sintomi in area mediterranea sono varie: prima di tutto il fatto che le relazioni dose-risposta sono state desunte da esperimenti su semenzali in condizioni controllate, ed è ovvio che l’estrapolazione a piante adulte in campo può essere suscettibile di errore. Inoltre, gli effetti dell’ozono sulla crescita forestale, essendo stati studiati sempre in condizioni controllate, non sono ancora certi e quindi è strano che si scelga proprio la crescita come indicatore di danno in campo. Ma ci sono altri due fattori che vanno considerati e sono: i condizionamenti imposti dall’ambiente e dall’ecologia delle piante mediterranee. In pratica, è possibile che i livelli critici siano sottostimati perché basati, come da definizione, sul materiale più sensibile nelle condizioni più favorevoli all’assorbimento. Una condizione però che si verifica raramente, soprattutto in area mediterranea. ?

Discrepancies between high ozone levels and low damage occurrence Visti i superamenti del livello critico, ci aspetteremmo forti danni da ozono alle nostre foreste, perché tutti gli studi in condizioni controllate mostrano effetti negativi evidenti su fisiologia, biochimica, morfoanatomia. Ma, se andiamo a guardare la crescita in campo, perché è a questa che si riferiscono i livelli critici, gli effetti non sono poi così evidenti. Per es, in merito all’area basimetrica, i risultati ottenuti nelle aree di monitoraggio permanente italiane, non mostrano un chiaro effetto dell’ozono (espresso in termini di AOT40) sulle specie investigate. Media 2000-2004 Ferretti, M., Fagnano, M., Amoriello, T., Badiani, M., Ballarin-Denti, A., Buffoni, A., Bussotti, F., Castagna, A., Cieslik, S., Costantini, A., De Marco, A., Gerosa, G., Lorenzini, G., Manes, F., Merola, G., Nali, C., PAOLETTI E., Petriccione, B., Racalbuto, S., Rana, G., Ranieri, A., Tagliaferro, A., Vialetto, G., Vitale, M.: ‘Measuring, modelling and testing ozone exposure, flux and effects on vegetation in southern European conditions - what does not work’, Environmental Pollution, 146, 648–658 (2006).

It was noted that in some Mediterranean areas the flux-based methodology may under-estimate effects.

Revised and new flux-based critical levels for effects of ozone on vegetation. Please note that there are different flux model parameterisations for each species

Stazioni di ozono Campi resa grano Stazioni meteo De Marco, Paoletti, Screpanti Geostatistics as a validation tool for setting ozone standards for durum wheat, Environmental Pollution, 2010 Stazioni di ozono Campi resa grano Stazioni meteo

Dati disponibili: produttività cerro, leccio e faggio modellata su tutto il territorio italiano (3 km risoluzione) Accrescimenti Inventario Forestale Nazionale (circa 700 plot su tutto il territorio italiano 1Km risoluzione) Accrescimenti in 31 plot di II livello ICP Forest network, distribuiti abbastanza omogeneamente su tutto il territorio nazionale (circa 1 sito per regione). Corine Land Cover maps aggiornate al 2006 Dati MINNI meteo ed inquinanti (4x4 km risoluzione)

Dati necessari per calcolare i flussi: Dati meteo 2005 (temperatura media, massima, minima; umidità relativa diurna; precipitazioni; radiazione solare; evapotraspirazione) Dati concentrazioni orarie di ozono (anno 2005) Dati tessitura del suolo Applicazione modello moltiplicativo di Jarvis basato sulla conduttanza stomatica (la conduttanza stomatica massima diminuisce in relazione ai parametri ambientali e meteorologici) gsto = gmax fphen flight ftemp fVPD fSWP

Output possibili di questa attività mappe AOT40 e flussi di ozono a risoluzione 4x4 valutazioni impatto ozono sui diversi ecosistemi Analisi di flussi con diversi scenari