sito infn ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Sezione di Genova
DIPARTIMENTO DI FISICA
Unoversità di Genova



Ambiente


Le tecniche IBA e soprattutto la PIXE costituiscono un potente strumento di indagine in campo ambientale in quanto sono particolarmente adatte allo studio delle polveri sospese in atmosfera. Le "polveri fini" immesse in atmosfera dai gas di scarico degli autoveicoli, da processi industriali, dalla combustione di biomasse e da svariati altri processi, sono oggetto di studio da diversi anni e i loro effetti si stanno sempre più imponendo all’attenzione pubblica. Basti pensare al problema del particolato atmosferico nelle grandi aree urbane o ai cambiamenti climatici su scala planetaria.

Le polveri possono avere composizione chimica e dimensioni che variano in funzione della loro origine, delle trasformazioni subite in atmosfera e di meccanismi di rimozione e trasporto (figura 1). Il particolato è alla fine costituito da agglomerati di molecole con dimensioni che vanno da pochi nm (1 nm = 10-9 m = 1 milionesimo di millimetro) fino a circa 100 mm (1 mm = 10-6 m = 1 millesimo di millimetro). In generale la distribuzione media delle dimensioni delle polveri è quella riportata in figura 2.


Fig 2. Distribuzione ideale del Particolato Atmosferico, sono indicati i processi di formazione, i tempi tipici di sospensione in atmosfera e le frazioni granulometriche comunemente individuate.

A seconda delle dimensioni si parla di: Polveri Totali Sospese (PTS) o di Frazioni PM10, PM2.5 e PM1 (rispettivamente, polveri con dimensione inferiore a 10, 2.5 e 1 mm, figura 2). Gli effetti nocivi del particolato atmosferico dipendono ovviamente dalla composizione chimica (alcune sostanze sono particolarmente tossiche) ma anche dalla granulometria: infatti solo le polveri più fini riescono a penetrare nell’apparato respiratorio (vedi figura 3) e a provocare i danni maggiori.

Anche gli effetti sull’ambiente (riduzione della visibilità, diffusione della radiazione solare, formazione di nebbie) sono fortemente dipendenti dalle dimensioni delle polveri . Una discussione completa di questi fenomeni è contenuta in: “Atmospheric Chemistry and Physics of Air Pollution”, J. H. Seinfeld, Wiley ed., New York 1986. I campioni di particolato atmosferico si possono raccogliere, per le successive analisi di laboratorio, con campionatori di diversi tipi. I campionatori si distinguono in filtri ed impattori (secondo la tecnica di raccolta adottata) e in contini o cumulativi (secondo il modo di gestione dei tempi di campionamento). In alcuni casi gli strumenti separano le diverse frazioni dimensionali su supporti diversi (multistadi).Il Laboratorio dispone di diversi strumenti: campionatore sequenziale partisol,campionatore Battelle a 7 stadi,campionatore continuo streaker.

I filtri utilizzati sono supporti porosi, in genere membrane in policarbonato (NUCLEPORE), acetato di cellulosa (MILLIPORE) o Teflon (CF2) (figura 5).

L’analisi PIXE dei campioni di particolato atmosferico fornisce solitamente le concentrazioni in atmosfera di una ventina di elementi con minimi di rivelazione variabili tra 1 e 10 ng/m3. In figura 6 è mostrato uno spettro PIXE, relativo agli elementi con numero atomico Z>20, ottenuto irraggiando un campione di PTS prelevato presso un sito industriale della provincia di Genova.


Fig 6 Un tipico spettro PIXE, si notano i picchi di alcuni metalli (Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb)

Si può quindi dedurre la concentrazione dei vari elementi in atmosfera, separando eventualmente diverse frazioni granulometriche come riportato nella figura 7 che sintetizza alcuni dei risultati ottenuti in un campionamento in contemporanea nelle città di Firenze, Genova, Milano e Napoli nell’inverno 2001.

L’utilizzo di campionatori continui, quali gli “streaker”, consente di studiare andamenti temporali peculiari di diversi elementi e/o sorgenti di particolato. Alcuni significativi esempi sono mostrati dai grafici in figure 8a,8b e 8c, relative a campagne di misura in Liguria tra il 1995 e il 2000.


Fig 8a Andamento temporale di Pb e Br a La Spezia (marzo 1999) nella frazione PM2.5 Entrambi gli elementi sono prodotti dalla combustione di benzine al Pb

I campionatori multistadi infine consentono di ricostruire e differenziare le distribuzioni granulometriche di ogni elemento come mostrato in figura 9.


Fig 9 Distribuzioni granulometriche distinte da campionatori multistadi (Genova Albaro, 1998). Lo S che ha origine da processi di combustione è più abbondante nella frazione fine. Fe e Ca che hanno origine naturale ed industriale (Fe, in particolare) sono più abbondanti nella frazione grossa del PM10.

Il Laboratorio dispone anche di uno strumento che consente la misura in tempo reale della concentrazione totale di polveri nelle frazioni PM10 oppure PM2.5 oppure PM1. Si tratta del TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance) figura 10 che ha una sensibilità di 60 ng/m3 per la determinazione della concentrazione oraria del particolato atmosferico.

Lo strumento è stato installato presso la cabina di monitoraggio della qualità dell’aria di Genova-Brignole nel luglio 2001 e da allora registra le concentrazioni e gli andamenti temporali delle diverse frazioni dimensionali del particolato. In figura 11, a titolo di esempio, sono riportati i dati relativi al periodo del summit G8 a Genova nel luglio 2001 dove si apprezza la diminuzione delle polveri durante le giornate di sostanziale blocco del traffico nel centro cittadino.


Fig 11 Andamento temporale della frazione PM10 del particolato atmosferico misurato a Genova Brignole nel luglio 2001. Nella figura sono evidenziati i giorni di blocco del traffico nel centro cittadino in occasione del summit dei G8.

Gli elementi “leggeri”, ovvero quelli che emettono radiazione X con energia al di sotto di 1 keV, non possono essere rivelati dalla tecnica PIXE a causa della forte attenuazione (m/r>7000 g/cm3) dei raggi X nel percorso campione-rivelatore. Tra questi il Carbonio riveste un ruolo di primo piano sia per la sua notevole concentrazione nel particolato atmosferico sia per l’elevato assorbimento della luce. Il Laboratorio ha sviluppato un semplice metodo ottico (figura 12) che misura l'attenuazione di un fascio laser qundo attraversa i campioni di particolato e che consente di valutare, pur con errori sistematici alti, la concentrazione di carbonio elementale (o black carbon) nel particolato.
Il sistema è particolarmente utile e rapido per l’analisi di filtri di campionatore “streaker” : in figura 13 è mostrata la correlazione tra la misura ottica e l’andamento temporale di alcuni inquinanti gassosi traccianti del traffico veicolare.


Fig 13 Correlazione tra la misura ottica e l’andamento temporale di alcuni inquinanti gassosi traccianti del traffico veicolare.


Le attivita' del FISA nel settore ambientale sono state sempre sviluppate in stretta collaborazione con il gruppo dell’Università di Firenze e, più recentemente, con il gruppo dell'Università di Milano. In questi anni sono state eseguite numerose campagne di misura ed analisi del particolato atmosferico in diversi siti della città di Genova (Multedo, Acquasola, Albaro, Cornigliano, Sestri Ponente, Brignole), Firenze (Via Gramsci, Giardini di Boboli), La Spezia, Milano, Napoli, Montelupo (FI) e Cogoleto (GE). Le stesse tecniche sono state e sono applicate da altri ricercatori a Berlino, Madrid e Siviglia. Tutte le campagne di misura sono state condotte in collaborazione con gli Enti Locali responsabili del controllo della qualità dell’aria. Il resoconto completo delle metodologie sviluppate ed applicate può essere dedotto dall’elenco di pubblicazioni riportato in questo sito.

Il Laboratorio dispone oggi di una serie di strumenti che consentono un ampio spettro di misure ed indagini (esemplificate nelle figure precedenti) sul particolato atmosferico:

Campionatori:

Analizzatori:
Software:

 

Altro:





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