Un cielo velato può avere molte cause. Le particelle fini possono essersi accumulate durante un periodo di scarso ricambio dell’aria. Il fumo degli incendi boschivi e della vegetazione può aver percorso centinaia o persino migliaia di chilometri. La polvere sollevata dal Sahara può attraversare il Mediterraneo e raggiungere vaste aree dell’Europa. Nelle giornate calde e soleggiate, le concentrazioni di ozono vicino al suolo possono aumentare, anche se l’ozono non viene emesso direttamente a quel livello.
Tutte queste situazioni hanno un elemento in comune: le sostanze presenti nell’aria sono strettamente legate allo stato dell’atmosfera.
Una volta che gli inquinanti entrano nell’atmosfera, il loro comportamento dipende fortemente dalle condizioni meteorologiche. Possono essere trasportati lontano dalla loro fonte, rimanere intrappolati vicino al suolo oppure disperdersi su aree più vaste. La pioggia può rimuovere alcune particelle dall’aria, mentre la luce solare e la temperatura possono innescare reazioni chimiche che generano nuovi inquinanti a partire da sostanze già presenti nell’atmosfera.
Prevedere la qualità dell’aria significa quindi molto più che prevedere il tempo. I modelli devono anche descrivere quali sostanze sono presenti nell’atmosfera, da dove provengono, come reagiscono chimicamente e dove saranno trasportate dalla circolazione atmosferica.
Dalle previsioni meteorologiche alla composizione dell’atmosfera
I modelli numerici di previsione meteorologica simulano l'evoluzione dell'atmosfera. I modelli della qualità dell'aria vanno oltre, rappresentando anche gas, aerosol e i processi che li influenzano.
Le previsioni della qualità dell'aria visualizzate da meteoblue si basano sui dati del Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), che combina osservazioni atmosferiche e modellistica per prevedere inquinanti, aerosol e altri costituenti atmosferici. Viene inoltre utilizzata la modellistica d'insieme (ensemble) per tenere conto delle differenze tra le singole previsioni e fornire un'indicazione dell'incertezza.
I modelli della qualità dell'aria tengono conto delle emissioni, del trasporto, delle reazioni chimiche, della dispersione e dei processi che rimuovono gli inquinanti dall'atmosfera. In parole semplici, devono rispondere a due domande: che cosa è presente nell'atmosfera e che cosa gli accadrà in seguito?
Da dove proviene l’inquinamento atmosferico?
Alcuni inquinanti entrano direttamente nell’atmosfera. Il traffico stradale, i processi industriali, la produzione di energia e il riscaldamento degli edifici rilasciano gas e particelle. Gli incendi boschivi e della vegetazione immettono nell’atmosfera fumo e grandi quantità di particolato. Il vento può sollevare polvere minerale dalle superfici aride e trasportarla, in alcuni casi, attraverso interi continenti.
Anche i processi naturali contribuiscono. La vegetazione rilascia composti organici, i vulcani emettono gas e particelle, gli spruzzi marini producono aerosol e le piante rilasciano enormi quantità di polline durante i periodi di fioritura.
Altri inquinanti hanno un’origine più complessa, perché si formano nell’atmosfera solo dopo l’emissione.
L’ozono troposferico vicino al suolo ne è un buon esempio. A differenza degli inquinanti emessi direttamente da un tubo di scarico o da una ciminiera, l’ozono vicino al suolo si forma attraverso reazioni fotochimiche che coinvolgono sostanze precursori come gli ossidi di azoto e i composti organici volatili. Questo è uno dei motivi per cui elevate concentrazioni di ozono sono spesso associate a condizioni calde e soleggiate. La mappa dell'ozono di meteoblue mostra le concentrazioni vicino al suolo. Questo ozono troposferico non deve essere confuso con lo strato di ozono stratosferico, che protegge la Terra dalle radiazioni ultraviolette nocive.
Anche il particolato può avere origini molto diverse. PM10 e PM2.5 indicano classi dimensionali delle particelle e non singole sostanze chimiche. Possono comprendere fumo, fuliggine, polvere minerale, sali e altri materiali. Ulteriori particelle possono inoltre formarsi attraverso reazioni chimiche nell’atmosfera.
Questa combinazione di emissioni dirette, fonti naturali e chimica atmosferica è uno dei motivi per cui prevedere la qualità dell’aria rappresenta un problema di modellizzazione così complesso.
Il tempo determina ciò che accade dopo
Sapere quanti inquinanti sono stati emessi non è sufficiente. Le stesse emissioni possono determinare condizioni di qualità dell’aria molto diverse a seconda delle condizioni meteorologiche.
Consideriamo, ad esempio, due giornate per il resto simili in una grande città.
Il primo giorno i venti sono deboli e l’atmosfera vicino al suolo è stabile. Il rimescolamento verticale è limitato e gli inquinanti possono quindi accumularsi vicino al suolo. Se queste condizioni persistono, le concentrazioni possono continuare ad aumentare anche senza un incremento significativo delle emissioni.
In un’altra giornata, venti più forti e uno strato di rimescolamento più alto possono disperdere la stessa quantità di inquinanti in un volume d’aria molto maggiore. Il successivo passaggio di un fronte accompagnato da precipitazioni può rimuovere dall’atmosfera alcune particelle e sostanze solubili.
Anche la direzione del vento è fondamentale. Una scarsa qualità dell’aria osservata in un determinato luogo non significa necessariamente che gli inquinanti abbiano avuto origine lì. Fumo, polvere e altri inquinanti possono attraversare i confini nazionali ed essere trasportati su distanze molto grandi.
La polvere desertica è uno degli esempi più evidenti. Le particelle minerali sollevate sul Sahara possono essere trasportate verso nord attraverso il Mediterraneo quando la circolazione atmosferica è favorevole. A concentrazioni sufficientemente elevate, la polvere desertica può persino diventare visibile come una velatura nel cielo.
Il fumo degli incendi boschivi e della vegetazione si comporta in modo simile. A seconda della velocità e della direzione del vento e dell’altitudine alla quale il fumo entra nell’atmosfera, un incendio può influire sulla qualità dell’aria anche molto lontano dalla zona interessata dalle fiamme.
Per questo motivo, le mappe della qualità dell’aria sono particolarmente informative se considerate insieme alle mappe meteorologiche. Un pennacchio con elevate concentrazioni di particolato mostra dove i valori sono alti; i campi di vento e la situazione sinottica su larga scala possono invece aiutare a capire da dove proviene quella massa d’aria e dove potrebbe essere trasportata successivamente.
Punto di partenza di una previsione: che cosa c’è ora nell’atmosfera?
Per prevedere la qualità dell’aria di domani, un modello ha innanzitutto bisogno di una stima il più possibile accurata dello stato attuale dell’atmosfera. Ciò avviene attraverso la cosiddetta assimilazione dei dati.
Analogamente alla previsione meteorologica numerica, le osservazioni vengono combinate con le informazioni dei modelli per ottenere un quadro il più possibile realistico dello stato attuale dell’atmosfera. I dati osservativi possono provenire sia da stazioni di monitoraggio a terra sia da satelliti e fornire informazioni su gas e aerosol a diverse scale spaziali.
Le stazioni di monitoraggio forniscono misurazioni dirette in località specifiche, mentre i satelliti offrono una copertura spaziale molto più ampia. I sistemi di previsione combinano queste osservazioni con i modelli atmosferici per stimare l’attuale distribuzione degli inquinanti e prevedere come le loro concentrazioni potrebbero cambiare e spostarsi nelle ore e nei giorni successivi.
Una previsione – molte variabili
Non esiste una singola grandezza misurata o modellizzata in grado di descrivere completamente la qualità dell’aria. Mappe diverse rispondono a domande diverse.
Il Common Air Quality Index (CAQI) offre una panoramica semplificata. Invece di mostrare la concentrazione di una singola sostanza, combina diversi inquinanti importanti in un indice che descrive la qualità generale dell’aria di fondo. Meteoblue utilizza il Background CAQI, poiché i modelli atmosferici non sono in grado di rappresentare le differenze su scala molto ridotta che si riscontrano direttamente lungo le singole strade.
Per analizzare più nel dettaglio una situazione specifica, tuttavia, è spesso molto più utile osservare i singoli componenti.
PM10 e PM2.5 indicano le concentrazioni di particolato. PM10 indica le particelle con diametro inferiore a 10 micrometri, mentre PM2.5 rappresenta la frazione più fine, con diametro pari o inferiore a 2,5 micrometri. Le fonti spaziano dai processi di combustione e dal fumo degli incendi alla polvere e alle particelle prodotte dalle reazioni chimiche nell’atmosfera.
Il biossido di azoto (NO₂) è strettamente associato ai processi di combustione. Nelle città, il traffico stradale rappresenta una fonte importante. Tuttavia, l’NO₂ proviene anche da fonti naturali e partecipa ai processi chimici atmosferici che portano alla formazione dell’ozono.
Il biossido di zolfo (SO₂) è associato in particolare alla combustione e alla lavorazione di combustibili e materiali contenenti zolfo. Nell’atmosfera, i composti dello zolfo possono subire ulteriori reazioni e contribuire all’inquinamento da particolato e alle deposizioni acide.
Il monossido di carbonio (CO) deriva dalla combustione incompleta e può quindi essere associato, tra le altre fonti, agli incendi e alla combustione di combustibili fossili. Il CO partecipa inoltre alla chimica atmosferica e influenza indirettamente le concentrazioni di altri gas, tra cui ozono e metano.
Per l’ozono (O₃) la situazione è diversa: concentrazioni elevate vicino al suolo possono formarsi attraverso reazioni fotochimiche anziché derivare da emissioni dirette. Temperatura, radiazione solare, inquinanti precursori e circolazione atmosferica ne influenzano sia la formazione sia il trasporto.
La polvere desertica rappresenta un’altra specifica fonte di aerosol. Poiché può essere trasportata su distanze molto grandi, osservare la previsione della polvere a diverse altitudini può aiutare a riconoscere la struttura tridimensionale di un’intrusione di polvere desertica.
L’Aerosol Optical Depth (AOD), in italiano profondità ottica degli aerosol, descrive qualcosa di diverso rispetto alla concentrazione di PM2.5 o PM10 vicino al suolo. L’AOD indica quanto gli aerosol riducono la trasmissione della luce attraverso l’intera colonna atmosferica. Valori elevati di AOD possono essere associati al fumo degli incendi, alla polvere desertica o all’inquinamento di origine antropica. È quindi utile per identificare pennacchi di aerosol su vasta scala, ma non deve essere interpretata come una misura diretta di ciò che una persona respira a livello del suolo.
Le previsioni atmosferiche non riguardano soltanto gli inquinanti. Anche il polline viene trasportato nell’atmosfera. Le mappe meteorologiche di meteoblue includono, tra gli altri, livelli relativi ai pollini di graminacee, ambrosia, betulla e olivo. Il polline può percorrere distanze considerevoli trasportato dalle correnti d’aria, mentre le precipitazioni possono rimuoverlo dall’atmosfera. I temporali possono complicare ulteriormente la situazione, poiché i forti venti possono inizialmente aumentare la concentrazione di polline nell’aria.
Nel loro insieme, questi diversi livelli mostrano che cosa è presente nell’aria, da dove potrebbe provenire e in che modo le condizioni meteorologiche ne influenzano il trasporto.
Perché la qualità dell’aria locale è particolarmente difficile da prevedere
L’inquinamento atmosferico può variare notevolmente anche su distanze molto brevi. Una stazione di monitoraggio situata accanto a una strada molto trafficata può registrare concentrazioni di NO₂ nettamente superiori rispetto a un’altra stazione posta in un parco a pochi chilometri di distanza. L’orientamento delle strade, l’altezza degli edifici, l’intensità del traffico, le fonti industriali e le condizioni locali del vento possono contribuire a queste differenze.
I modelli atmosferici regionali non possono rappresentare tutti questi effetti su piccola scala. Possono descrivere bene un episodio di inquinamento su un’area più vasta, mentre le condizioni nelle immediate vicinanze di una strada trafficata, di un sito industriale o di un’altra fonte locale possono differire dai valori modellizzati.
I modelli meteorologici affrontano un problema analogo. Una risoluzione più elevata può fornire maggiori dettagli locali, ma i processi che avvengono su scale inferiori a quelle della griglia del modello non possono sempre essere rappresentati direttamente.
Perché utilizzare un ensemble per le previsioni della qualità dell’aria?
Le previsioni della qualità dell’aria presentano diverse fonti di incertezza. Le emissioni possono cambiare, le previsioni meteorologiche non sono perfette e modelli diversi rappresentano in modo differente il trasporto, gli aerosol e la chimica atmosferica.
Un ensemble composto da più modelli aiuta a tenere conto di queste differenze. Invece di affidarsi a una singola previsione, è possibile confrontare o combinare i risultati di diversi modelli. La variabilità tra i risultati fornisce inoltre un’indicazione dell’incertezza della previsione.
Come nelle previsioni meteorologiche, non esiste un singolo modello che fornisca sempre i risultati migliori per ogni inquinante, località e situazione atmosferica. Quando i modelli non concordano, questa divergenza costituisce di per sé un’informazione utile sul grado di affidabilità della previsione.
Comprendere l’atmosfera come un sistema
Forse l’aspetto più interessante delle previsioni della qualità dell’aria è che nessuna di queste variabili dovrebbe essere considerata isolatamente.
Una previsione di elevate concentrazioni di PM2.5 diventa più significativa se confrontata con la direzione del vento. Un segnale di aerosol su vasta scala può essere analizzato insieme alla previsione della polvere desertica per stabilire se siano coinvolte particelle minerali. Le concentrazioni di ozono possono essere considerate insieme alla temperatura, alla radiazione solare e alla circolazione atmosferica. Le previsioni dei pollini possono invece essere confrontate con quelle del vento e delle precipitazioni.
L’atmosfera collega continuamente processi che avvengono su scale spaziali molto diverse: dalle emissioni lungo una strada cittadina alle tempeste di polvere nel Nord Africa, fino agli incendi boschivi e della vegetazione a centinaia o migliaia di chilometri di distanza.
I moderni modelli atmosferici cercano di collegare tutti questi elementi. Combinano meteorologia, emissioni, chimica, processi di trasporto e dati osservativi per prevedere quali sostanze potrebbero essere presenti nell’aria intorno a noi nelle ore e nei giorni successivi.
Chi desidera approfondire l’argomento o condividere le proprie osservazioni può visitare il meteoblue Community Forum, dove esperti e membri della community continuano la discussione.
