Qualità dell’aria: modelli Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali a.a. 2007-2008 Dispense del Corso Laurea in Ingegneria Gestionale Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni (ind. Sistemi di Telerilevamento) Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica (ind. Gestione e Automazione dei Servizi) Chiara Mocenni

I processi fisici: diffusione e trasporto Dispersione della massa: si assume che in un volumetto infinitesimo dxdydz nell’intervallo temporale dt l’incremento della massa inquinante e quindi la sua concentrazione media C(x,y,z,t) eguagli l’apporto netto derivante dagli ingressi esterni e dall’eventuale contributo di una sorgente inquinante S o di un fattore di rimozione R.

Equazione della diffusione

A causa delle turbolenze e dei fenomeni vorticosi il moto è sempre vario, ma se facciamo riferimento alla media in un periodo di tempo T di durata maggiore della scala temporale delle fluttuazioni turbolente e minore della scala delle variazioni di velocità medie del vento, si può distinguere una componente media v ed una componente fluttuante v’ sovrapposta al moto e a media nulla.

Essendo C influenzata dalla velocità del vento risulta che anche C è composta da una componente media C e da una fluttuante C’. La prima componente rappresenta il trasporto e la seconda la diffusione.

I modelli di dispersione Data una emissione di una certa sostanza in atmosfera (boundary layer) il modello di dispersione calcola le concentrazioni di questa sostanza nei punti dello spazio circostante. Lo scopo di una simulazione modellistica può essere quello di un confronto delle concentrazioni calcolate con quelle di riferimento della normativa di legge oppure di verificare l’impatto di una variazione dello scenario emissivo (ad es. modifiche di un impianto di generazione o flussi di traffico).

Criteri per la scelta del modello Scala spaziale Scala temporale Dominio Inquinante Meteorologia Sorgenti emissive Regime

Modelli deterministici Modelli euleriani (STEM, CAMX) di chimica e trasporto, sorgenti puntuali o diffuse, risoluzione orizzontale max  1 Km in orizzontale Sistema di coordinate fisse Si basano sulla risoluzione di una equazione differenziale di diffusione ricavata dal bilancio di massa

Si distinguono: Modelli analitici (andamento al suolo della concentrazione sottovento ad una sorgente continua puntiforme)

Modelli a box (il dominio è suddiviso in una o più celle all’interno delle quali l’inquinante è considerato perfettamente miscelato) Modelli a griglia (il dominio è suddiviso in un grigliato tridimensionale, metodo risolutivo: differenze finite).

Modelli fotochimici (modelli a griglia): oltre a simulare fenomeni di trasporto e diffusione tengono conto di reazioni chimiche in fase gassosa e delle deposizioni secche. Finalizzati alla ricostruzione dell’inquinamento secondario: Ozono troposferico, Particolato, deposizioni acide Modelli euleriani tridimensionali a griglia Sono in grado di ricostruire i seguenti processi: Emissioni da sorgenti areali e puntuali Trasporto e diffusione turbolenta Trasformazioni chimiche (fase gas e fase aerosol) deposizione secca e umida Inquinanti considerati: NOX, O3, VOC, HNO3, SO2, H2SO4, NH3, PPM

Input dei modelli fotochimici: Parametri meteorologici; Parametri geofisici; Parametri emissivi; Parametri chimici; Parametri sperimentali.

CALGRID (CALifornia GRIDded model) Sistema di riferimento mobile che segue gli spostamenti delle masse d’aria di cui si vuole riprodurre il comportamento.

Il box si muove in accordo con il vento presente nel bacino di studio Il box si muove in accordo con il vento presente nel bacino di studio. Ciò permette di simulare il movimento di una colonna d’aria all’interno del dominio la cui concentrazione di specie inquinanti è dovuta alle emissioni incontrate lungo il percorso, a processi di trasformazione chimica e di deposizione.

Modelli lagrangiani a particelle (SPRAY), sorgenti puntuali o diffuse dominio di calcolo  25x25 Km2, risoluzione orizzontale max  100 m Modello lagrangiano a particelle per terreno complesso La dispersione degli inquinanti viene ricostruita schematizzando l'emissione attraverso un insieme di unità piccolissime di dimensioni di massa nota Ogni particella segue una diversa realizzazione (evoluzione) del flusso turbolento

Modelli a traiettorie Servono per modellare fenomeni che avvengono su scale spaziali dell’ordine delle centinaia di migliaia di chilometri. Esempi sono l’acidificazione e l’eutrofizzazione di ambienti naturali, il trasporto di metalli pesanti.

Modelli stocastici Controllo in tempo reale e previsione dei livelli di attenzione e di allarme. Non prevedono le concentrazioni degli inquinanti in base a leggi fisiche e a relazioni causa-effetto, ma sulla base dei dati misurati nel passato. Sono quindi in grado di prevedere le concentrazioni nei soli punti in cui si sono misurati i dati.

Esempi APC-2: Atmosferic Pollution Control WINAST: identificazione di modelli ARX

CALPUFF: riproduce il trasporto, la trasformazione e la deposizione di inquinanti in condizioni meteorologiche variabili non omogenee e non stazionarie. Può simulare e missioni puntuali e areali. CALMET (integra CALPUFF e CALGRID)

CALMET permette di ricostruire il campo di vento e il campo di temperatura. Permette inoltre di calcolare i parametri di turbolenza.

CALGRID: applicazione per la riproduzione di un fenomeno di inquinamento fotochimico nel 1998 in Lombardia.