Dispersion and transport of tropospheric aerosol and pollutants in the western mediterranean: the role of the Po Valley under different transport regimes

Il bacino del Po, situato in Nord Italia, è considerato una delle più importanti zone emissive dell'Europa, essendo caratterizzato da alte concentrazioni di aerosol di origine naturale e antropogenica e di gas traccianti. La posizione geografica di tale regione, in prossimità del deserto del Sahara, la rende spesso soggetta ad eventi di trasporto di particolato su lunga distanza e, essendo circondata da due catene montuose, a frequenti condizioni meteorologiche di stagnazione che possono causare l'accumulazione di inquinamento locale (proveniente soprattutto da traffico, combustione in ambito domestico e agricoltura). Sotto particolari condizioni tali inquinanti possono essere trasportati verso il bacino Mediterraneo. La distribuzione spaziale della concentrazione e composizione degli inquinanti sulla regione può essere quindi complessa e variabile, essendo anche fortemente influenzata dall'interazione della varietà di sorgenti e regimi di trasporto che possono interessare l'area. Questo lavoro di tesi offre un'analisi dell'impatto di differenti regimi di trasporto atmosferico sulla variabilità verticale nella bassa troposfera, basandosi sull’ integrazione di un vasto database di osservazioni con i risultati delle simulazioni di modelli numerici. Tale variabilità è stata studiata durante l'estate 2012, seguendo l'evoluzione temporale e verticale di aerosol e inquinanti individuata tramite un'approfondita analisi di parametri ottici, fisici e chimici derivanti da un innovativo ed unico database di misure intensive sia in-situ che di telerilevamento. Particolare rilievo è stato dato ai profili LIDAR misurati a San Pietro Capofiume (SPC, 44°39'0" N, 11°37'0" E, 11m s.l.m, posizionato in un'area rurale relativamente vicina ad alcune maggiori zone emissive urbane ed industriali), utilizzati per analizzare la distribuzione verticale degli aerosol e le loro proprietà ottiche. Le misure dell' Aerodynamical Particle Sizer (APS) a SPC e dell' Optical Particle Counter (OPC) posizionato nella stazione WMO/GAW di Monte Cimone (MTC; 44.12N, 10.42E, 2165 m s.l.m., rappresentativa delle condizioni di background della troposfera libera del Sud Europa) hanno invece fornito informazioni sulla distribuzione dimensionale dell'aerosol rispettivamente al suolo e a quote prossime alla troposfera libera. Lo strumento MARGA a SPC ha consentito di determinare la natura chimica delle particelle al suolo. L'analisi della circolazione atmosferica e del trasporto è stata poi supportata da modelli di ultima generazione come il modello a mesoscala WRF e simulazioni lagrangiane (FLEXPART) guidate da input meteorologici GFS (Global Forecast System). Il periodo di osservazioni intensive (15 Giugno - 5 Luglio 2012) è stato caratterizzato da differenti regimi di trasporto troposferici a scala regionale e condizioni di profonda convezione nello strato limite planetario (PBL). Il particolato è stato individuato prevalentemente sotto i 2000m, con una predominanza di aerosol sferico, osservato con una frequenza superiore all'80% durante l'intero arco della giornata. Due eventi di avvezione di particolato desertico dal Nord Africa (19-21 Giugno e 29 Giugno - 2 Luglio) sono stati identificati, con evidenza di penetrazione dell'aerosol desertico nel PBL e mescolamento con gli aerosol inquinanti locali. Il particolato desertico è stato osservato prevalentemente al di sopra dei 2000m con una frequenza di osservazione tra il 15% e il 20% dell'intera campagna, e una frequenza non trascurabile al suolo (circa 7%). Le osservazioni LIDAR hanno inoltre evidenziato, durante le prime ore della mattina, un aumento delle particelle sferiche al di sotto dei 500m di altezza, probabilmente legati alla crescita igroscopica di inquinanti aerosolici in alte condizioni di umidità relativa. Eventi di formazione rapida di particelle non sferiche, verosimilmente originate dalla risospensione di particolato da suoli rurali, sono stati osservati in corrispondenza di condizioni di PBL pienamente sviluppato con una frequenza di occorrenza del 50% durante le ore pomeridiane-serali. Durante il periodo di osservazione sono stati individuati due eventi di esporto di inquinamento (23-24 Giugno e 26-27 Giugno) dalla Valle del Po al bacino Mediterraneo e sono stati caratterizzati con osservazioni in-situ e modelli di chimica a mesoscala. In corrispondenza di condizioni meteorologiche favorevoli all'esporto dalla Valle del Po, le osservazioni da aereo raccolte nell'ambito della campagna di misura francese ChaRMex-TRAQA mostrano un aumento nei valori di mixing ratio del monossido di carbonio (CO) da un valore di fondo di 90 ppbv a concentrazioni di 120-140 ppbv al di sotto dei 1500 m di altezza sul Golfo di Genova. Il modello WRF-CHEM, che lavora con processi di chimica pienamente accoppiati alla meteorologia, è stato utilizzato per caratterizzare la distribuzione di CO nell'intera area, a supporto dell'identificazione del possibile esporto di aria dal Nord Italia. Le simulazioni WRF-CHEM hanno confermato la presenza di un pennacchio di CO originato dalla Valle del Po durante i due eventi di esporto identificati dalle misure da aereo. La dinamica del pennacchio è stata analizzata per mezzo di simulazioni lagrangiane (FLEXPART-WRF): le traiettorie hanno indicato un tempo di trasporto tra le 12 e le 30 ore tra la Valle del Po al Golfo di Genova con un percorso e un'estensione verticale ed orizzontale in accordo con le osservazioni da aereo. Accoppiando le traiettorie con le concentrazioni di CO ottenute da WRF-CHEM si è stimata, durante gli eventi di esporto, una perturbazione superiore ai 30-50 ppbv sul Mediterreano con valori di nuovo in accordo con le misure aeree. Infine il contributo del trasporto di inquinamento dalla Valle del Po è stato valutato sull'intero anno 2012 per mezzo delle simulazioni FLEXPART-WRF. I risultati hanno mostrato che l'esporto avviene frequentemente durante l'anno, con un massimo di frequenza durante i mesi freddi, in particolare durante Febbraio e Novembre-Dicembre, quando il pennacchio di inquinamento può essere trasportato verso Sud, arrivando anche fino ai 42°N e influenzando quindi gran parte del Golfo di Genova. Il contributo locale causato dall'evento di CO analizzato dai voli appare rappresentativo della tipica anomalia locale causata dai pennacchi di esporto dalla Valle del Po durante l'intero anno.