la micrometeorologia e la dispersione degli inquinanti ... - ARPA Lazio
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TEORIA DI BASE DELLA DISPERSIONE DEGLI INQUINANTI IN ATMOSFERA Proprio per ovviare ad alcuni di questi problemi, pur rimanendo nell’ambito di una modellistica semplice ed usabile anche a scopi ingegneristici, sono state sviluppate altre classi di modelli stazionari. La prima di queste è la classe dei modelli ibridi. Essi hanno la caratteristica di fondere la struttura stazionaria ed algebrica del modello gaussiano stazionario con la complessità della turbolenza del PBL.Al termine delle ricerche sulla determinazione della turbolenza del PBL nelle situazioni convettive si è studiato il modo di portare nel modello gaussiano tali risultati, pur mantenendone inalterata la semplicità. Ciò fu possibile grazie alla sostituzione della classica dispersione verticale degli inquinanti di forma gaussiana con una distribuzione non simmetrica, conseguenza diretta della struttura a grandi vortici, tipica del PBL convettivo.Tali modelli sono relativamente recenti e richiedono ancora studi per la loro messa a punto e molto tempo per sostituire completamente il glorioso modello gaussiano stazionario. Uno dei problemi di alcuni insuccessi del modello gaussiano stazionario è, oltre alla convettività del PBL, anche la struttura morfologica del territorio. Il modello gaussiano è derivato per un suolo omogeneo e piatto e tutte le piccole modifiche introdotte nel tempo dai vari modellisti per renderlo capace di trattare situazioni ad orografia complessa sono miseramente fallite. Un successo, tuttavia, è stato conseguito quando si è pensato di descrivere l’orografia stessa in termini analitici semplificati e di usare il concetto del flusso potenziale. Così facendo ci si è accorti che era possibile ottenere modelli semplici quanto i modelli gaussiani stazionari, ma capaci di trattare, almeno entro certi limiti di complessità orografica, anche situazioni di terreno moderatamente complesso. Sono nati così i modelli stazionari per orografia complessa. Esiste comunque un limite nell’impiego di modelli stazionari e tale limite è dettato sia dalla complessità del territorio da simulare che dalla sua estensione. In entrambi i casi l’ipotesi di stazionarietà e di omogeneità non può essere più mantenuta e quindi i modelli stazionari devono essere abbandonati. Una soluzione a ciò è data, almeno in linea di principio, dalla seconda soluzione analitica trovata, quella gaussiana puff.Tale approccio non è nuovo, ma solo la recente disponibilità di computer di piccole dimensioni ma di grande potenza li ha resi popolari. Ora i modelli gaussiani puff costituiscono una famiglia molto importante e molto usata, soprattutto per ricostruire lo stato della qualità dell’aria su territori vasti e complessi. Il problema del loro utilizzo sta nel fatto che sono molto esigenti dal punto di vista meteorologico, visto che richiedono come informazione principale il campo di vento tridimensionale e informazioni più o meno dettagliate sulla turbolenza del PBL. Non possono quindi essere usati da soli, ma in unione con modelli meteorologici di PBL (prognostici o diagnostici) che forniscano loro le informazioni essenziali per il funzionamento. Anche questi modelli mostrano limiti quando la situazione orografica è molto complessa o quando si sia interessati ad una ricostruzione dettagliata della distribuzione spazio-temporale della concentrazione dei vari inquinanti. Per un certo periodo si è pensato che l’integrazione diretta dell’equazione base dell’approccio Euleriano fosse la maniera ideale per risolvere il problema. Nacquero così i modelli Euleriani numerici con vari tipi di chiusura, la principale essendo quella K.I continui insuccessi ottenuti, anche se alimentati con meteorologia derivante da modelli numerici del PBL molto raffinati, hanno scoraggiato il loro impiego e la realizzazione di codici di calcolo. La ragione di tutto ciò sta nella chiusura K da un lato 223
TEORIA DI BASE DELLA DISPERSIONE DEGLI INQUINANTI IN ATMOSFERA e dalle osservazioni fatte sul concetto di diffusività turbolenta espresse al termine del paragrafo precedente.Tali modelli sono attualmente abbandonati quando gli inquinanti da trattare sono chimicamente inerti, viceversa costituiscono l’unico strumento disponibile quando si è costretti a simulare la dispersione di inquinanti fotochimici. Da quanto presentato in questo capitolo parrebbe che l’unico approccio sterile dal punto di vista della creazione di modelli effettivamente usabili sia l’approccio Lagrangiano. Effettivamente tale approccio nella sua complessità formale intimidisce non poco.Tuttavia già agli inizi dell’attività modellistica tale approccio ha rappresentato per la dispersione degli inquinanti chimicamente inerti un punto di riferimento molto importante. L’intuizione che ha dato luogo alla produzione di uno dei più bei modelli dispersivi è stato quello di domandarsi che tipo di processo stocastico potesse rappresentare la dispersione degli inquinanti nel PBL. Una volta intuito che tali processi potevano essere, con buona approssimazione, considerati Processi Markoviani Continui, fu sufficiente applicare le ben note proprietà di tali processi per individuare una strada modellistica molto interessante che ha condotto ai modelli lagrangiani a particelle. La nascita di tali modelli ed il loro utilizzo nelle varie situazioni pratiche ha evidenziato una cosa interessante dal punto di vista pratico. Il modello di dispersione a particelle non può vivere da solo ed il suo successo è determinato in misura determinante dalla bontà della descrizione della meteorologia media e della turbolenza del PBL.Un modello a particelle può simulare una data situazione bene o male a seconda di quanto bene è stata ricostruita la meteorologia. E finalmente, dopo tanta storia di modelli differenti, dopo tante battaglie su particolari modellistici a posteriori irrilevanti, finalmente si ritorna a considerare la dispersione degli inquinanti in atmosfera come un processo non distinto dalla meteorologia, ma come un suo aspetto particolare. Finalmente il cerchio si è chiuso! 224
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e dalle osservazioni fatte sul concetto di diffusività turbolenta espresse al termine<br />
del paragrafo precedente.Tali modelli sono attualmente abbandonati quando<br />
gli <strong>inquinanti</strong> da trattare sono chimicamente inerti, viceversa costituiscono l’unico<br />
strumento disponibile quando si è costretti a simu<strong>la</strong>re <strong>la</strong> <strong>dispersione</strong> di<br />
<strong>inquinanti</strong> fotochimici.<br />
Da quanto presentato in questo capitolo parrebbe che l’unico approccio sterile<br />
dal punto di vista del<strong>la</strong> creazione di modelli effettivamente usabili sia l’approccio<br />
Lagrangiano. Effettivamente tale approccio nel<strong>la</strong> sua complessità formale<br />
intimidisce non poco.Tuttavia già agli inizi dell’attività modellistica tale approccio<br />
ha rappresentato per <strong>la</strong> <strong>dispersione</strong> <strong>degli</strong> <strong>inquinanti</strong> chimicamente inerti un<br />
punto di riferimento molto importante. L’intuizione che ha dato luogo al<strong>la</strong> produzione<br />
di uno dei più bei modelli dispersivi è stato quello di domandarsi che<br />
tipo di processo stocastico potesse rappresentare <strong>la</strong> <strong>dispersione</strong> <strong>degli</strong> <strong>inquinanti</strong><br />
nel PBL. Una volta intuito che tali processi potevano essere, con buona approssimazione,<br />
considerati Processi Markoviani Continui, fu sufficiente applicare le ben<br />
note proprietà di tali processi per individuare una strada modellistica molto interessante<br />
che ha condotto ai modelli <strong>la</strong>grangiani a particelle. La nascita di tali<br />
modelli ed il loro utilizzo nelle varie situazioni pratiche ha evidenziato una cosa<br />
interessante dal punto di vista pratico. Il modello di <strong>dispersione</strong> a particelle non<br />
può vivere da solo ed il suo successo è determinato in misura determinante dal<strong>la</strong><br />
bontà del<strong>la</strong> descrizione del<strong>la</strong> meteorologia media e del<strong>la</strong> turbolenza del PBL.Un<br />
modello a particelle può simu<strong>la</strong>re una data situazione bene o male a seconda di<br />
quanto bene è stata ricostruita <strong>la</strong> meteorologia. E finalmente, dopo tanta storia<br />
di modelli differenti, dopo tante battaglie su partico<strong>la</strong>ri modellistici a posteriori<br />
irrilevanti, finalmente si ritorna a considerare <strong>la</strong> <strong>dispersione</strong> <strong>degli</strong> <strong>inquinanti</strong> in<br />
atmosfera come un processo non distinto dal<strong>la</strong> meteorologia, ma come un suo<br />
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