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Fisica e Chimica



Cosa vuol dire PM10?

Con il termine PM (dall'inglese particulate matter) si intende un insieme di particelle solide e liquide che si trovano sospese nell'aria che respiriamo. Tali particelle sono eterogenee per dimensione, origine, composizione e proprietà. Data questa eterogeneità, per esprimerne una presenza in termini di concentrazione, l' Ente per la Protezione Ambientale degli Stati Uniti (US EPA), nel 1987, ha introdotto il parametro PM10 che rappresenta il peso delle particelle sospese con diametro inferiore a 10 micron contenute in un metro cubo di aria. L'unità di misura del PM10 è microgrammi/m3.
[Federal register vol. 52, No. 126, Wednesday, July 1, 1987 (40 CFR Part 53, Appendix J].

Successivamente lo stesso ente ha introdotto l'uso di altri parametri quale il PM2,5 e PM1 per il loro interesse sanitario.
Per dare un idea delle dimensioni di cui si parla (1 micron=1 millesimo di millimetro), nella figura sottostante, sono rappresentati insieme un capello umano (diametro 50 micron), un fine granello di sabbia (90 micron) particelle PM10 e (ingrandite) particelle PM 2.5.

[figura estratta da http://www.cpcb.delhi.nic.in/sept2001air2.htm]


Cosa indicano le altre sigle come PM2.5 PM1 ?

Il numero che segue la sigla PM indica la dimensione massima della particelle che sono state pesate per esprimere tale misura. In particolare le misure dei PM2.5 e PM1 sono state introdotte da epidemiologi e tossicologi perchè misurano quelle particelle (definite "fini") che riescono a superare le barriere naturali dell'apparato respiratorio.

La distinzione che viene fatta è tra polveri grossolane (o frazione grezza) e polveri fini, tuttavia la traduzione di questi termini in classi di dimensioni non è univoca e spesso dipende dalla disciplina scientifica di riferimento. Dal punto di vista della Fisica, la distribuzione del volume in funzione del diametro aerodinamico delle particelle, mostrata nella seguente figura, indica un minimo attorno a 1-3 micron. Questo numero rappresenta la discriminante tra polveri fini (fine particles) e polveri grossolane (coarse particles) con parziale sovrapposizione dei due domini.

Generalizzando si può dire che la frazione PM2.5 costituisce circa il 60% in peso del PM10.
Nell'ambito delle particelle fini si individuano inoltre due tipologie diverse che rappresentano stadi diversi (nuclei e aggregati). In particolare la prima "gobba" rappresenta una frazione definita particelle ultrafini con diametro inferiore a 0,1 micrometri e che possono crescere, aggregandosi per coagulazione o per condensazione, nell'altra modalità (aggregati o accumuli). Quest'ultime però raramente crescono a formare particelle grossolane.

Ma come si formano ?

Le particelle grossolane sono formate da processi meccanici quali la disgregazione di minerali, di materiali della crosta terrestre e di detriti organici.

Le particelle fini invece sono originate prevalentemente da processi di combustione o da reazioni chimiche di sostanze gassose presenti in atmosfera. I processi di combustione più rilevanti nella produzione di PM sostengono le attività di mobilità/trasporto su gomma, varie attività industriali e il riscaldamento domestico. In generale, la combustione del gasolio produce piu particolato rispetto alla benzina.

Di cosa sono fatte?

Il PM atmosferico contiene un grande numero di elementi in vari composti e concentrazioni comprese centinaia di composti organici.

Nella frazione fine si ritrovano predominanti:

  • ioni solfato, ioni ammonio;
  • carbonio elementare;
  • composti organici derivati da combustione e processi di cottura;
  • metalli (ad es. ioni solubili di ferro e rame, ma anche cadmio, piombo e nichel)

Nella frazione grezza delle polveri si trovano invece:

  • materiali della crosta terrestre (calcio,alluminio,silice,magnesio e ferro),
  • materiali organici (pollini,spore e detriti animali).
Alcuni componenti come i nitrati ed il potassio si ritrovano in entrambe le frazioni.

Ovviamente alcune di queste sostanze vanno incontro a trasformazioni per cui spesso si ricorre alla suddivisione del PM in primario e secondario a seconda, appunto, dell'avvenuta trasformazione chimica che dipende dalla presenza di altri gas reattivi (ad es. ozono), dalle condizioni atmosferiche, dalla radiazione solare e dall'umidità relativa.

Ma spariscono in qualche modo?

La dimensione della particella regola il tempo di sedimentazione ovvero la tendenza di cadere al suolo.

Il tempo di decadimento delle particelle grossolane è nell'ordine delle ore e la distanza percorsa è di solito breve. Tuttavia, se quest'ultime, vengono mescolate negli strati più alti dell'atmosfera allora possono percorrere distanze notevoli (pensate alle sabbie che dai deserti africani precipitano con le pioggie fin nelle nostre città).

Le particelle più fini si aggregano tra loro a formare particelle più grandi ma non crescono oltre al micron di diametro (vedi la figura precedente) e come tali vengono mantenute sospese anche dai più modesti movimenti dell'aria. Possono rimanere sospese per molti giorni e venire trasportate per migliaia di chilometri.

Il processo di rimozione principale per le particelle fini è legato alla formazione delle nuvole ed alle precipitazioni: le particelle che tendono ad assorbire acqua, crescono con l'aumentare dell'umidità relativa e fungono da nucleo di condensazione per la formazione delle goccioline che formano le nuvole. Se le gocce crescono abbastanza da formare la pioggia, le particelle fini vengono rimosse con la precipitazione della goccia.

Le precipitazioni inoltre possono agire trascinando con sè, per impatto , le particelle grossolane. Questo meccanismo è però poco efficace rispetto alle polveri fini, in particolare solo le particelle ultrafini (definite nuclei nella discussione precedente) vengono in parte rimosse grazie alle loro dimensioni che ne permette la diffusione nella goccia che sta precipitando ma questo resta comunque un meccanismo poco importante rispetto a quello che porta alla formazione delle nuvole. Se da una parte le precipitazioni, ma più efficacemente la formazione della pioggia, rappresentano un processo che sottrae polveri all'aria, dall'altra parte la presenza di ioni solfati e nitrati nelle particelle disciolte provoca l'acidificazione della pioggia con conseguenze negative dal punto di vista ecologico.

[ Us.EPA - Fourth External Review Draft of Air Quality Criteria for Particulate Matter (June,2003),Vol.I ]

Ma il lavaggio delle strade, adottato da diverse amministrazioni, serve a ridurre le concentrazioni di PM10?

Assolutamente no. Il lavaggio delle strade, sperimentato a Milano nel 2002 e successivamente in molte altre città, non influenza la concentrazione dei PM10. D'altra parte come già detto le dimensioni di tali particelle sono così piccole che solo in minima parte riescono a cadere al suolo da dove potrebbero essere rimosse con il lavaggio.

[www.ecodallecitta.it/notizia.php?id=507]

Frazione grezza, fine ed ultrafine delle polveri sottili? Ma serve questa distinzione o è solo un vezzo scientifico?

Le particelle fini, che possono a loro volte essere distinte in ultrafini e aggregati, dovranno necessariamente venire considerate un inquinante distinto dalle polveri grossolane con limiti e standard diversificati.
La ragione di tale distinzione sta, oltre che nelle dimensioni delle particelle, anche nella differente origine, composizione, tempo di residenza in atmosfera e meccanismi di rimozione.
Questo determina anche differenze nella concentrazione, nel grado di esposizione e nei potenziali effetti dannosi per la salute

[ Us.EPA - Fourth External Review Draft of Air Quality Criteria for Particulate Matter (June,2003),Vol.I]

Come si misurano le concentrazioni ?

Il metodo ufficiale riconosciuto dall'Us-EPA, dall'Unione Europea e quindi dall'Italia, è quello gravimetrico che consiste nel catturare in un filtro di teflon le particelle sospese in un dato volume d'aria per successivamente determinarne il peso mediante pesata manuale.Questa tecnica permette di stabilire la concentrazione in termini di massa su volume (microgrammi/m3) e viene usata sia per i PM10 che per i PM2,5. L'aria raccolta viene campionata attraverso opportuni dispositivi che permettono di selezionare la dimensione delle particelle.
[ Us.EPA - Fourth External Review Draft of Air Quality Criteria for Particulate Matter (June,2003),Vol.I ]
[Direttiva Europea 1999/30/EC ]

Nonostante i progressi fatti nella misura della massa di tali inquinanti, rimangono numerose incertezze sulla rappresentatività della composizione qualitativa del campione raccolto. Questa incertezza è dovuta principalmente alla presenza di acqua intimamente legata alle particelle sospese che deve essere rimossa prima di pesare ed analizzare il filtrato. Non esiste ad oggi un metodo migliore di altri e non è possibile rimuovere l'acqua senza eliminare con essa parte di inquinanti definiti semi volatili (nitrati e compositi organici).

Il condizionamento del filtro e la conseguente perdita di composti semivolatili, inficia in misura maggiore le tecnologie di misurazione in continuoio (beta-gauge, TEOM).
[ Us.EPA - Fourth External Review Draft of Air Quality Criteria for Particulate Matter (June,2003),Vol.I ]

In particolare le cosiddette centraline beta utilizzano una metodologia basata sul principio dell'attenuazione beta ossia dell'attenuazione dell'energia associata ad un fascio di elettroni che si verifica in conseguenza dell'attraversamento di uno strato sottile di materiale. Le particelle beta vengono emesse da una sorgente radioattiva di carbonio 14 e rilevate da un contatore geiger. La misura viene fatta misurando l'assorbimento di radiazioni beta prima e dopo la cattura delle particelle sospese.
[www.minambiente.it/Sito/settori_azione/iar/inquinamento_atmosferico/qualita_aria/metodi_misure_particolato.asp]

Se il metodo di misura ufficiale è quello gravimetrico perchè si usano altre metodologie?

L'uso delle centraline per il monitoraggio continuo dei PM10 è auspicabile perchè permette di ottenere un dettaglio informativo maggiore (ad es. orario) rispetto ai campionamenti manuali (giornalieri). Ma le tecnologie utilizzabili (TEOM,beta-gauge) tendono a sottostimare i valori rilevati e andrebbero quindi corrette. L'Unione Europea, con un apposito gruppo di lavoro, ha definito dei criteri statistici da seguire per correggere e quindi accettare le misure ottenute da tecnologie in continuo (TEOM, beta-gauge) in sostituzione delle tradizionali misure gravimetriche. Per l'Italia,con il DM 60/2002, viene assegnato al CNR l'onere di certificare le centraline automatiche per il rilevamento dei PM10 assicurando, con tale certificato, il rispetto dei criteri di equivalenza individuati dalla Unione Europea. Quindi per poter sostituire la classica misura gravimetrica con una strumentazione automatica, è necessario che quest'ultima sia stata certificata dai laboratori di riferimento del CNR.
Ovviamente resta la responsabilità deontologica nell'utilizzo di tali strumentazioni che andrebbero adeguatamente monitorate per verificare la corrispodenza tra i due sistemi prima di, eventualmente, sostituire la metodologia ufficiale.

[Guidance to member states on PM10 monitoring and intercomparison with the reference method]


Quali sono i limiti fissati per i PM10 dalla normativa italiana?

Per quanto riguarda il PM10 , il DM 60/02 stabilisce per la protezione della salute umana, due valori limite :

  1. la concentrazione media annua di 40 microg/m3
  2. la concentrazione giornaliera di 50 microg/m3 da non superare più di 35 volte l'anno

Il decreto, riprendendo la normativa europea, descrive due fasi: una prima fase fino al 2005 in cui tali valori sono definiti e una seconda (a partire dal 2005) per la quale sono già indicati dei valori limite guida che dovranno essere rivisti in base alla futura normativa comunitaria. Per il PM10 sono fissati due valori guida: uno sulla media annua e uno sui valori giornalieri. A tali limiti vengono applicati dei margini di tolleranza (+8 µg/m3 per il limite annuo e +25 µg/m3 per quello giornaliero) che a partire dal 1 gennaio 2001 devono essere ridotti in maniera lineare ogni anno. Per il 2002 pertanto tali margini di tolleranza erano di +4.8 µg/m3 per il limite sulla media annua e di +15 µg/m3 per quello sul valore giornaliero.

[Osservatorio pm10]

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