Source Apportionment - SA

Per caratterizzare in maniera univoca uno studio di SA è necessario definire i seguenti aspetti:

• l’indicatore specifico che caratterizzi l’inquinamento atmosferico (PM2.5, PM10…);
• il recettore e le sue caratteristiche spazio-temporali, cioè l’area e il periodo di tempo su cui l’indicatore è mediato (ad esempio la media annuale di PM2.5 in un determinato sito);
• la sorgente e sue caratteristiche spazio-temporali (cioè il periodo di tempo e l’area attribuiti alla sorgente);
• la tecnica di SA utilizzata per mettere in relazione sorgente e recettore.

Allo stato dell’arte esistono differenti tecniche di SA, raggruppabili in due grandi famiglie:  source apportionment analitico e source apportionment modellistico.
Il source apportionment analitico si basa su modelli orientati al recettore e consente di effettuare delle stime partendo dai dati di composizione chimica del particolato, campionato in siti ritenuti significativi, e applicando a tali dati specifiche tecniche statistiche, tra le quali la più utilizzata è la Positive Matrix Factorization (PMF).
Il (source apportionment modellistico si basa su modelli orientati alla fonte e consiste nell’applicazione di tecniche specialistiche ai modelli di chimica e trasporto degli inquinanti (CTM) che consentono di individuare il contributo alle concentrazioni degli inquinanti - sia primari che secondari - da parte delle diverse sorgenti, definite sia sulla base dei differenti comparti emissivi che su base geografica.
I due approcci di source apportionment risultano complementari: quello analitico è in grado di rafforzare le valutazioni sul contributo delle sorgenti – almeno nel caso della componente primaria - ottenute dalle simulazioni di SA modellistico, che partono invece dalle stime degli Inventari delle Emissioni e dalle variabili meteorologiche misurate per ricostruire nel tempo e nello spazio tridimensionale le reazioni chimiche che avvengono in atmosfera.

Source Apportionment analitico

Gli studi di source apportionment analitico sono basati su tecniche matematico/statistiche (analisi multivariata) che hanno l’obiettivo di separare gli elementi analizzati in differenti gruppi sulla base del loro grado di associazione e consentono teoricamente di ottenere una stima dei contributi da parte delle classi di sorgenti - sia reali (traffico, riscaldamento a legna, ecc.) che virtuali (componente secondaria). A partire da misure/analisi ritenute rappresentative, si identificano le diverse sorgenti sulla base della statistica dei contributi analitici e della loro variabilità temporale. Tale processo prescinde dall’Inventario delle Emissioni, strumento basato su metodologie di stima la cui accuratezza non risulta confrontabile con valutazioni di tipo chimico-analitico.

La metodologia del source apportionment analitico prevede infatti – a valle di un campionamento rappresentativo sia dal punto di vista spaziale che temporale - l’analisi chimica dei campioni (con vari approfondimenti relativi alla speciazione chimica del particolato, in relazione sia alla scelta degli analiti e delle metodiche laboratoristiche, sia all’interpretazione delle incertezze associate ai risultati analitici).

Sui risultati laboratoristici vengono poi effettuate una serie di preelaborazioni – caratterizzazione dei suoli nei siti di monitoraggio, calcolo dei fattori di arricchimento, studio della correlazione tra parametri chimici, attribuzione dell’incertezza - fino all’utilizzo del modello statistico EPA PMF 5.0 (Positive Matrix Factorization). La PMF, appartenente alla categoria dei modelli a recettore, rappresenta un approccio matematico-statistico basato sul profilo delle sorgenti e sulla loro variabilità spazio-temporale, attraverso l’applicazione di tecniche di analisi multivariata, con l’obiettivo di individuare quali sono le fonti di inquinamento che hanno determinato il particolato campionato e analizzato e in quali proporzioni. Il modello fornisce in output il profilo chimico dei fattori identificati (sulla base del quale ogni fattore viene associato ad una o a più sorgenti) e le serie storiche della massa di particolato prodotta da ogni fattore.

Una criticità intrinseca alla metodologia del source apportionment analitico è rappresentata dalla discrezionalità con cui, in assenza di traccianti chimici specifici, un profilo analitico viene associato ad una specifica sorgente (o gruppo di sorgenti); inoltre la componente secondaria del particolato viene trattata come una generica sorgente virtuale (secondario nitrati, secondario solfati) non attribuibile ad uno specifico comparto emissivo (traffico, riscaldamento, ecc…).

É importante rilevare che per speciazione dei campioni di particolato si intende l’analisi chimica quantitativa dei componenti del particolato, in particolare dei composti organici, degli ioni e dei metalli che risultino traccianti specifici di particolari comparti emissivi. Ad esempio, la combustione della legna, o comunque della biomassa, è tracciata da alcuni componenti organici, in particolare dal levoglucosano prodotto dalla pirolisi di composti come la cellulosa. Purtroppo per altri comparti emissivi non sono disponibili traccianti così efficaci e studiati come per la combustione della legna: su questo aspetto sarebbe dunque necessario effettuare indagini e studi per indentificare e/o confermare la presenza di possibili traccianti nel particolato primario, in particolare per quanto riguarda i veicoli a motore.

Source Apportionment modellistico

Negli studi di source apportionment modellistico, i modelli maggiormente utilizzati sono quelli euleriani di chimica e trasporto, secondo due approcci principali: Tagged Species (TS) e Brute Forced Method (BFM).

Nel primo approccio TS, durante l’esecuzione del modello CTM, uno specifico modulo etichetta le specie chimiche selezionate in accordo con la categoria di sorgente (attività o settore) e/o la sua origine geografica e ne segue l’evoluzione nel corso della simulazione. L’identificazione delle sorgenti è implementata con l’utilizzo di specie chimiche aggiuntive che possono anche reagire chimicamente (traccianti reattivi), permettendo quindi di tracciare non solo gli inquinanti emessi direttamente, ma anche quelli secondari.
L’approccio BFM è un’analisi di sensitività condotta attraverso la realizzazione di una simulazione di riferimento (caso base) e di un numero opportuno di simulazioni di sensitività, una per ogni sorgente che si intende analizzare e con le emissioni di tutte le specie chimiche variate di una certa percentuale rispetto al caso base: l’impatto potenziale di ciascuna sorgente viene successivamente stimato analizzando le differenze tra i risultati delle simulazioni di sensitività ed il caso base. Entrambi i metodi presentano, come naturale, vantaggi e svantaggi.
L’approccio TS rispetta il principio di conservazione della massa, anche in situazioni di non linearità, descrive bene la situazione rappresentata nel caso di studio e necessita di una sola simulazione, per contro richiede complessità di implementazione (il modulo deve far parte del codice del modello) e non fornisce informazioni in situazioni differenti da quelle analizzate. L’approccio BFM può essere applicato a qualsiasi modello CTM, non richiedendo modifiche sul codice, fornisce le risposte di carattere più generale e di immediato interesse per gli amministratori sulla gestione della qualità dell’aria, per contro necessita di ingenti risorse di calcolo e, in alcune situazioni di forte non linearità, può non conservare la massa.

Elemento fondamentale per il source apportionment modellistico (in entrambi gli approcci sopra descritti) sono le informazioni riguardanti le sorgenti emissive; va infatti sottolineato che i risultati di tale approccio metodologico dipendono fortemente dai dati presenti negli inventari delle emissioni in ingresso al sistema; di conseguenza, ogni criticità presente nei dati emissivi si riflette nella distribuzione delle concentrazioni. 

Il source apportionment modellistico: settoriale e geografico

Il source apportionment modellistico di tipo settoriale, ovvero la ricerca delle responsabilità dell’inquinamento per settore di attività, permette di identificare il contributo, da parte delle diverse sorgenti emissive, alle concentrazioni di inquinanti sia primari che secondari.
Fondamentale risulta la scelta delle associazioni di sorgenti emissive ovvero la definizione dei “settori”: tale ripartizione deve infatti risultare funzionale da un lato all’interpretazione dei risultati modellistici (per identificare il reale contributo alle concentrazioni degli inquinanti da parte delle principali fonti emissive), dall’altro alla focalizzazione dei potenziali ambiti di intervento da parte della pianificazione regionale.

Per indagare il contributo alle concentrazioni di inquinanti, sia primari che secondari, su un determinato territorio (ad es. il territorio regionale oppure la città di Torino) da parte delle sorgenti interne o esterne al territorio stesso, si applica la metodologia del source apportionment modellistico di tipo geografico, che prevede la ricerca delle responsabilità dell’inquinamento operando una separazione delle sorgenti emissive su base geografica. L’applicazione del source apportionment geografico prevede di raggruppare le differenti sorgenti emissive, anche su base geografica (comune, provincia, una particolare area di interesse etc..), ottenendo come risultato la quantificazione del contributo di ciascuna area analizzata: è in tal modo possibile differenziare il contributo endogeno, legato alle sorgenti localizzate all’interno del territorio di interesse, da quello esogeno, dovuto alle sorgenti localizzate all’esterno di tale territorio.