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Modellistica chimica atmosferica

Modellistica chimica atmosferica

qualita_ariaLa comunità scientifica internazionale ha raggiunto un largo consenso nell’attribuire ai prodotti di scarto delle attività umane gran parte della responsabilità per i cambiamenti climatici e per il degrado della qualità dell’aria osservati negli ultimi due secoli (IPCC, 2007; EEA, 2007). Le due questioni sono strettamente connesse, poiché entrambe hanno a che fare con l’evoluzione della composizione chimica dell’atmosfera. Negli ultimi decenni si sono sviluppate tecniche di osservazione sia da terra, che da piattaforma aerea, che da satellite per l’osservazione sempre più accurata della composizione atmosferica. Con l’avanzare della comprensione della composizione e dei processi fisici e chimici legati alla sua evoluzione, si sono sviluppati anche modelli numerici sempre più complessi, che permettono di simulare e di prevedere la concentrazione dei composti di interesse sia su scala globale che su scala locale e che forniscono un utile strumento di interpretazione delle osservazioni.

L’ozono e gli aerosol costituiscono un ponte di congiunzione tra il problema dei cambiamenti climatici e quello della qualità dell’aria che respiriamo. L’ozono si forma in atmosfera per via fotochimica (è un composto secondario, ovvero non direttamente emesso da sorgenti specifiche come i composti primari). In stratosfera (>12 km altezza) esso si forma in seguito alla fotolisi dell’O2 a spese della radiazione solare e costituisce così uno strato permanente che scherma l’atmosfera sottostante da gran parte della radiazione ultravioletta, cosa che ha permesso lo sviluppo della vita così come la conosciamo (ozono “buono”). Più in basso, in troposfera (dal suolo fino alla stratosfera), l’ozono si forma per via fotochimica, soprattutto sottovento a zone con forti sorgenti di ossidi di azoto (NOx) e composti organici volatili (COV) e in presenza di umidità ed insolazione elevate e stagnazione delle masse d’aria. In alte concentrazioni (> 90 ppb) l’ozono può diventare tossico per esposizioni prolungate e causare danni all’apparato respiratorio (ozono “cattivo”). Poiché il 90% delle emissioni di NOx in atmosfera sono dovute alle attività umane (tutti i processi di combustione) è ad esse che, insieme anche a significative emissioni di CO e COV, si attribuisce l’aumento dell’ozono troposferico dall’era preindustriale. Gli aerosol (particolato atmosferico) sono emessi direttamente in atmosfera da numerose sorgenti sia naturali che antropiche (es. deserti, oceani, traffico, industrie, ecc.) sia si formano per via secondaria da reazioni fotochimiche simili a quelle che coinvolgono l’ozono. Gli aerosol più fini (< 1 µm) e più dannosi per la salute umana si formano per via fotochimica in atmosfera soprattutto a seguito dell’ossidazione di composti emessi da attività antropiche.

La concentrazione delle specie chimiche in atmosfera, a prescindere dal nostro punto di vista limitato a scale temporali brevi o lunghe, è regolato da quattro categorie di processi: l’emissione, il trasporto, la trasformazione chimica e la deposizione. I modelli numerici tri-dimensionali dell’atmosfera forniscono una rappresentazione matematica della nostra attuale conoscenza su questi processi e producono una descrizione della variabilità nel tempo e nello spazio delle specie chimiche atmosferiche. Similmente a quanto è avvenuto per i modelli meteorologici, un forte impulso allo sviluppo dei modelli di composizione atmosferica è stato dato dall’avvento del satellite.

Presso il CETEMPS vengono utilizzati e sviluppati diversi modelli per lo studio della composizione atmosferica. Tutti questi modelli sono cosiddetti “community models”, ovvero sviluppati primariamente da alcuni grandi centri americani ed europei e distribuiti gratuitamente alla comunità scientifica, che può contribuire con nuove funzionalità e correzioni in modo omogeneo e organizzato. I modelli principalmente utilizzati al CETEMPS sono:

  • modello di chimica e trasporto a scala globale GEOS-Chem, utile per studi del trasporto di inquinati a scala planetaria
  • modello di chimica e trasporto ad area limitata CHIMERE, utile per studi ad alta risoluzione su regioni specifiche e per applicazioni di previsione della qualità dell’aria
  • modello con processi meteorologici, chimici e radiativi accoppiati WRF/Chem, utile allo studio dell’influenza reciproca di processi legati alla dinamica e termodinamica atmosferica e la composizione chimica (es. effetto degli aerosol sulle nubi).

Prodotti giornalieri operativi:

Chi siamo

  • Gabriele Curci (RTDb, responsabile), gabriele.curci@aquila.infn.it
  • Serena Falasca (Assegnista), serena.falasca1@univaq.it
  • Ilaria Gandolfi (Dottoranda), ilaria.gandolfi@aquila.infn.it
  • Muntasir Ibrahim Abdalla (Visiting scientist, Apr-Ago 2017)