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Formazione della nebbia nella Pianura Padana e caratteristiche chimico-fisiche del fenomeno

Formazione della nebbia nella Pianura Padana e caratteristiche chimico-fisiche del fenomeno
 

L’esperimento qui descritto è stato realizzato nel 1989 nell’ambito del progetto internazionale EUROTRAC-GCE coordinato dall’autore, e rappresenta il risultato della collaborazione di dieci gruppi di ricerca provenienti da cinque paesi europei. In questo articolo vengono presentati alcuni risultati generali che consentono di definire le caratteristiche del sistema atmosferico “nebbia” nella Pianura Padana, la sua formazione e l’evoluzione chimica nelle diverse fasi che compongono il sistema: gas, goccioline ed aerosol interstiziale.

Mappa della Pianura Padana (Nord Italia)Le nubi e la nebbia costituiscono un sistema atmosferico multifase (in cui coesistono, cioè, tutte e tre le fasi di aggregazione della materia: gas, goccioline liquide, particolato) in cui hanno luogo trasformazioni chimico-fisiche di inquinanti atmosferici. Lo studio dei processi di base che danno luogo a queste trasformazioni, è essenziale per comprendere il ruolo delle nubi e nebbie nella formazione, ridistribuzione e deposizione degli inquinanti nell’ambiente. Le nubi e le nebbie si formano per condensazione del vapore acqueo su particelle atmosferiche dette appunto “nuclei di condensazione”. Il processo di nucleazione fa sì che i componenti che costituiscono queste particelle siano incorporati nelle goccioline. Queste particelle sono incorporate con diversa efficienza secondo la loro composizione chimica (igroscopicità) e delle loro dimensioni.

Questo processo è responsabile della composizione chimica iniziale delle goccioline. Gas in traccia e particelle non rimosse per nucleazione rimangono nell’aria interstiziale fra le goccioline. Le particelle interstiziali possono a loro volta essere incorporate nelle goccioline per diffusione Browniana, per impatto inerziale e per effetti foretici (trasporto). I gas in traccia, anch’essi presenti nell’aria interstiziale, possono poi disciogliersi nelle goccioline fino ad un punto di equilibrio definito dalla legge di Henry.


Molte specie chimiche si dissociano e reagiscono all’interno delle goccioline, causando un’ulteriore variazione della composizione chimica. Le reazioni chimiche in fase liquida hanno un ruolo molto importante nel determinare il tempo di permanenza in atmosfera di molti inquinanti, soprattutto. Infatti, le reazioni di ossidazione di SO2 (biossido di zolfo) in fase gassosa sono molto più lente delle corrispondenti reazioni in fase liquida. A causa dei processi chimico-fisici appena descritti, le particelle atmosferiche che risultano dall’evaporazione di nebbie e nubi (molte nubi infatti evaporano senza dare luogo a precipitazioni) sono in genere molto diverse come dimensioni e composizione chimica da quelle che erano state originariamente incorporate nelle goccioline. Una migliore conoscenza dei processi chimico-fisici che hanno luogo nelle nubi e nelle nebbie rappresenta lo scopo del progetto internazionale Ground-based Cloud Experiment (GCE), coordinato dall’autore e, a sua volta, parte del programma europeo EUROTRAC (European Experiment on Transport and Transformation of Environmentally Relevant Trace Constituents in the Troposphere). Negli ultimi anni, studi di laboratorio e modellistici hanno contribuito in modo rilevante alla conoscenza dei processi chiave che hanno luogo nelle nubi e nelle nebbie; resta tuttavia una forte carenza di studi sperimentali in atmosfera reale. Lo studio sperimentale dei sistemi multifase che costituiscono le nubi e le nebbie richiede una competenza in molte diverse discipline scientifiche (chimica dell’atmosfera, Meteorologia, fisica dell’atmosfera ecc.), oltre alla disponibilità di sofisticate strumentazioni che solitamente non sono disponibili presso un singolo gruppo di ricerca o istituto. Il progetto GCE si propone di riunire un gruppo interdisciplinare di ricercatori che possano mettere in comune le proprie diverse competenze scientifiche e risorse strumentali per raggiungere la necessaria “massa critica” per questo tipo di studio.

Gli obiettivi specifici del progetto GCE comprendono:


1. la determinazione dei fattori che controllano la formazione di acidità nelle goccioline di nube o nebbia;
2. la determinazione dei fattori che controllano la concentrazione di ossidanti e catalizzatori nelle goccioline di nube o nebbia;
3. la valutazione dell’importanza relativa dei processi di incorporazione di aerosol atmosferico e delle reazioni chimiche in fase liquida nel determinare la composizione chimica delle goccioline di nube o nebbia;
4. la valutazione della relazione fra l’efficienza del processo di nucleazione e la composizione chimica e distribuzione dimensionale dell’aerosol atmosferico.


Per raggiungere questi obiettivi sono stati programmati nell’ambito del progetto GCE una serie di campagne sperimentali interdisciplinari da condurre in diverse aree d’Europa. Queste diverse aree geografiche sono caratterizzate da diverse condizioni climatiche e di inquinamento e permettono lo studio di diversi sistemi atmosferici multifase: nebbie di irraggiamento, nubi che intercettano il terreno, nubi orografiche. Ogni esperimento è programmato in modo coordinato, ed ogni gruppo che partecipa alla ricerca concentra la propria attenzione su uno degli aspetti del problema generale. Questo approccio implica la necessità di una stretta collaborazione fra i ricercatori in ogni fase della ricerca, e rende possibile l’esecuzione di esperimenti complessi in atmosfera reale, altrimenti molto difficili da realizzare. La campagna sperimentale per lo studio della nebbia nella Pianura Padana è il primo esperimento di questa serie organizzato nell’ambito del progetto GCE ed ha avuto luogo presso la base sperimentale di S. Pietro Capofiume nel 1989. Un secondo esperimento ha avuto luogo presso la base sperimentale di Kleiner Feldberg, vicino Francoforte, nel 1990.

Nella mappa in alto a sinistra, la Pianura Padana (Nord Italia). L’area ombreggiata indica elevazioni sopra i 500 m di altitudine. Il triangolo indica la posizione della stazione di S. Pietro Capofiume (SPC) dove si è svolto l’esperimento.

Descrizione dell'esperimento

La nebbia rappresenta un fenomeno ricorrente nella Pianura Padana durante la stagione autunno-invernale, con una frequenza di nebbia fino al 30% durante il periodo. In condizioni di alta pressione ed assenza di nubi, l’orografia della valle, che è circondata su tre lati da alte catene di montagne, Alpi e Appennini, favorisce la formazione di forti inversioni di temperatura e la formazione di nebbie diffuse.L’area coperta dalla nebbia in due giorni diversi durante l’esperimento è evidenziata nelle figure in basso. A seconda delle condizioni meteorologiche, la nebbia può essere un fenomeno locale (a) o estesa sopra tutta la valle (b). Le mappe della distribuzione della nebbia sopra la Pianura Padana presentate in figura sono basate sui dati multispettrali del satellite NOAA/AVHRR. Quando la nebbia si forma, gli inquinanti vengono intrappolati dentro lo stabile strato di inversione con un periodo di permanenza dell’ordine di ore. La Pianura Padana è la zona sia agricola che industriale più grande d’Italia; in questa zona inoltre vive il 45% della popolazione italiana. I livelli di inquinamento sono quindi molto alti. Per tutti i motivi fin qui esposti (le caratteristiche meteorologiche che determinano la formazione di nebbia e le alte concentrazioni di inquinanti) la nebbia in questa zona rappresenta un laboratorio naturale ideale per lo studio dei processi multifase sopraccitati.

La nebbia può essere un fenomeno locale...
... o estesa sopra tutta la valle

La stazione sperimentale

Presso la stazione sperimentale di S. Pietro Capofiume sono stati condotti in anni precedenti vari esperimenti sulle proprietà chimico-fisiche della nebbia, per cui era già disponibile un’ampia serie di dati sperimentali prima dell’esecuzione dell’esperimento GCEst Escludendo il periodo di approntamento del campo di misura, l’esperimento si è svolto dal 10 al 17 Novembre 1989. Sono stati studiati cinque episodi di nebbia, uno dei quali ha avuto una durata particolarmente lunga: 63 ore.

Situazione meteorologica generale durante l'esperimento

Dopo il passaggio di un sistema frontale nei giorni 8 e 9 Novembre, si è stabilizzato un sistema di alta pressione centrato sopra l’Europa dell’Est. Il periodo seguente è stato caratterizzato da una situazione di alta pressione in quota sopra le isole Britanniche. Questo sistema è iniziato con un forte flusso anticiclonico che ha causato lo sviluppo di una cosiddetta configurazione omega sopra il continente europeo. Nessuna modificazione su larga scala ha influenzato il tempo sopra la Pianura Padana per alcuni giorni. Il primo episodio di nebbia è cominciato dopo il tramonto del 10 Novembre dissolvendosi nella tarda mattinata del giorno successivo. La notte dell’11 Novembre la nebbia si è formata di nuovo, ed è durata per i successivi due giorni. Le temperature al livello del suolo erano comprese fra 0 e 7°C durante il periodo. Il 15 Novembre un ramo del sistema di bassa pressione sul lato Sud-Est della configurazione omega ha cominciato a influenzare la parte Est della Pianura Padana. La pressione atmosferica è calata di circa 10 hPa, la durata della nebbia è diventata più breve e l’intensità è diminuita. Temperature più basse (fino a 20°C) sono state registrate vicino al suolo durante la notte. L’influenza del sistema di alta pressione sopra il Nord Italia è svanita il 17 Novembre, a causa di un sistema di bassa pressione che ha concluso il periodo della nebbia e causato la formazione di nubi ed intense precipitazioni.

L'approccio sperimentale

Per studiare i processi chimico-fisici che hanno luogo nel sistema multifase che costituisce la nebbia, si è cercato di seguire l’evoluzione temporale delle specie chimiche presenti nel sistema (composti dello zolfo e dell’azoto, composti organici a basso peso molecolare, specie ossidanti) nelle diverse fasi (gas, goccioline, aerosol interstiziale) e l’evoluzione delle proprietà micrometeorologiche e microfisiche del sistema, dalla situazione di formazione della nebbia, lungo tutta la durata dell’evento, fino al suo dissolvimento. La concentrazione delle varie specie chimiche non è costante con la quota, a causa delle emissioni inquinanti all’interno del sistema (attività locali, emissioni dal suolo ecc.), del trasporto ed avvezione di masse d’aria (turbolenza atmosferica) e delle reazioni chimiche che hanno luogo all’interno del sistema stesso. Per studiare le possibili disomogeneità verticali, la concentrazione delle specie chimiche nelle diverse fasi è stata misurata durante tutto l’esperimento a diverse quote, usando la torre meteorologica di 50 m disponibile presso la stazione. Anche i parametri meteorologici e microfisici sono stati misurati a diverse quote sulla torre. Altri strumenti prototipi più complessi, non adatti per dimensioni e peso ad essere collocati sulla torre, sono stati usati solo al suolo.

Alcuni risultati

La serie completa di dati raccolta durante l’esperimento non può certo essere discussa in questo breve articolo; vengono perciò di seguito presentati alcuni risultati generali utili alla descrizione generale delle caratteristiche del sistema multifase costituito dalla nebbia. Gli ioni NH4+ (ammonio), NO3-(nitrato) e SO4= (solfato) sono i componenti principali della frazione solubile dell’aerosol interstiziale: insieme costituiscono l’80% della frazione solubile. La frazione solubile, a sua volta, rappresenta in media il 49% della massa totale dell’aerosol. In condizioni di nebbia, aumentano le dimensioni delle particelle, dovuto alla condensazione di vapore acqueo sulle particelle stesse. Si nota anche una diminuzione della concentrazione delle varie specie in presenza di nebbia, dovuta alla rimozione preferenziale delle particelle solubili da parte delle goccioline. È interessante notare che la somma delle concentrazioni di solfato e nitrato è circa uguale alla concentrazione di ammonio, il che è indice di un aerosol pressoché neutro in termini di acidità. I gas di NH3 (ammoniaca) ed HNO3 (acido nitrico), sono solubili in acqua e la loro concentrazione in atmosfera risente quindi della presenza o meno di goccioline di nebbia. A parte l’enorme differenza di concentrazione delle due specie gassose, il loro andamento con la quota è opposto. Le fonti di NHsono tutte al suolo, e questo fatto causa livelli di concentrazione più elevati negli strati più bassi. La differenza di concentrazione di NH3 fra i vari livelli si attenua durante gli episodi di nebbia, a causa della formazione dell’inversione termica.

Il suolo, d’altronde, rappresenta un fattore di rimozione per HNO3 gassoso, data la sua elevata velocità di deposizione. HNO3 può essere prodotto in nebbia da reazioni eterogenee, o essere trasportato da sorgenti esterne al sistema per avvezione. In genere la concentrazione di HNO3 rimane sotto il limite di rivelabilità strumentale (DL); concentrazioni significative, più alte del limite, sono state misurate solo in periodi di assenza di nebbia. La concentrazione di HNO3 è generalmente più bassa al suolo per i motivi più sopra accennati. Durante l’esperimento si sono verificati cinque episodi di nebbia per un totale di 89 ore. Campioni orari di goccioline sono stati prelevati a quattro livelli (suolo, 10, 25, 50 m). La somma delle concentrazioni degli ioni NH4+, NO3- e SO4= rappresenta in media l’89% della forza ionica totale delle goccioline di nebbia. Il rapporto fra le concentrazioni di NO3- e SO4= per i campioni di nebbia è altamente variabile, in generale però la concentrazione di ioni NO3- è più alta di quella degli ioni SO4=. In particolare, se esaminiamo il valore del rapporto NO3-/SO4= in funzione del pH dei campioni di nebbia, si può vedere che il valore di questo rapporto tende ad essere più elevato in campioni a minor pH (acidità più elevata), con valori massimi di circa 4. Questo risultato dimostra che l’acidità dei campioni di nebbia è dovuta principalmente al contributo di HNO3 che può essere originato dall’ossidazione degli ossidi di azoto in nebbia, o trasportato da sorgenti esterne al sistema per avvezione.

Conclusioni

Lo scopo di questo articolo non vuole e non può essere quello di fornire un’analisi dettagliata dei risultati ottenuti dalla campagna sperimentale per lo studio dei processi chimico-fisici nelle nebbie della Pianura Padana; questi risultati sono pubblicati o in via di pubblicazione in altre sedi più specialistiche. Si vuole piuttosto sottolineare, accanto alla complessità dei fenomeni atmosferici delineati, la necessità di una vasta collaborazione scientifica fra gruppi di ricerca a livello internazionale, specializzati in discipline diverse, per progettare e realizzare esperimenti complessi in atmosfera reale, come quello qui descritto. Senza questo tipo di collaborazione, questo esperimento non avrebbe mai potuto essere realizzato. Va detto anche, per inciso, che il costo di questa campagna di misura, diviso fra i vari partecipanti, è stato valutato in circa 2 miliardi di lire. Anche per la ricerca la dimensione internazionale è quindi fondamentale per raggiungere obiettivi avanzati come quelli che si propone il progetto GCEst.

Tratto da un articolo di Sandro Fuzzi - Istituto FISBAT - C.N.R., Bologna, Aprile ‘93.