Analisi dei dati ambientali

Lo stato dell'ambiente che ci circonda può essere definito attraverso la misura diretta di diverse variabili, come ad esempio quelle che caratterizzano la meteorologia di un sito (velocità e direzione del vento, temperatura, umidità, ecc.) o le concentrazioni di inquinanti nelle diverse matrici (aria, acqua, suolo, vegetali, ecc.). La semplice raccolta dei dati strumentali non è tuttavia sufficiente per comprendere la complessità dell'ambiente che ci circonda: la corretta analisi ed interpretazione dei dati strumentali richiede la conoscenza dei fenomeni che regolano i sistemi naturali e l'applicazione di tecniche grafiche e di analisi statistica. 

Nel seguito vengono illustrate a titolo di esempio alcune tipologie di elaborazione dei dati di qualità dell'aria.

 

Analisi degli andamenti temporali

Per meglio interpretare il significato dei dati rilevati è utile analizzare gli andamenti temporali delle concentrazioni atmosferiche misurate. Attraverso analisi di tipo grafico e statistico è possibile ad esempio identificare andamenti periodici nei dati che possano essere collegati alle caratteristiche di specifiche sorgenti antropogeniche, o studiare la presenza di un trend di crescita o diminuzione delle concentrazioni sul lungo periodo, al di la delle naturale variabilità di breve periodo.

La Fig.1 rappresenta ad esempio l'andamento tipo delle concentrazioni di tre inquinanti NO, NO2 ed O3 nei diversi giorni della settimana e nelle diverse ore del giorno rilevati nel corso di una campagna di misura. Tale rappresentazione grafica è ottenuta mediando le concentrazioni per ciascuna ora di ciascun giorno della settimana. L'intervallo di confidenza delle medie (area colorata) è ottenuto attraverso una procedura di bootstrap
Dall'analisi di questi andamenti è possibile dedurre:

  • il ruolo rilevante del traffico veicolare: NO ed NO2 mostrano un picco mattutino e serale, ridotto o assente nei giorni festivi e prefestivi, in linea con l'andamento tipico del traffico stradale.

  • la relazione tra NO, NO2 ed O3: poichè le reazioni fotochimiche dell'O3 con l'NO primario portano all'ossidazione dell'NO e alla produzione di NO2, si osserva l'assenza del picco serale di NO dovuta alle elevate concentrazioni di O3 che si sviluppano, in estate, nelle ore di massima insolazione.

  

Andamenti Temporali Fig.1 - Andamento tipo delle concentrazioni di alcuni inquinanti (ug/m3) nelle diverse ore dei diversi giorni della settimana. (Fonte: elaborazione personale)

 

Ruolo della meteorologia

Le concentrazioni di inquinanti rilevate in atmosfera dipendono sia dalla presenza di sorgenti di emissione locali, sia dalle caratteristiche meteorologiche dell'area. L'atmosfera è un comparto ambientale in continua e rapida evoluzione: la "capacità dispersiva" dell'atmosferica determina l'accumulo o la diluizione degli inquinanti che vengono emessi dalle sorgenti locali. 
Una corretta interpretazione dei dati di qualità dell'aria non può quindi prescindere dall'analisi congiunta con i dati meteorologici.

La Fig.2 rappresenta un esempio di elaborazione grafica atta a determinare quali siano le direzioni di provenienza del vento associate con i livelli di concentrazione più elevati. Il grafico rappresenta i valori medi di concentrazione di NO (ug/m3) in funzione della direzione di provenienza de vento (angolo 0-360°) e dell'ora del giorno (ore 00:00 verso l'interno, ore 24:00 verso l'esterno).
Dall'analisi della figura è possibile osservare che le concentrazioni di NO più elevate nel corso della campagna di monitoraggio si sono rilevate in presenza di venti provenienti dai settori occidentali e tra le 6:00 e le 8:00 del mattino. Questo potrebbe indicare l presenza di una sorgente di emissione vicina in direzione ovest, attiva principalmente nel mattino (es. flusso di traffico stradale casa-lavoro su una vicina strada ad alto traffico).

Fig.2 - Concentrazione media di NO (ug/m3) in funzione della direzione di provenienza del vento e dell'ora del giorno. (Fonte: elaborazione personale)

 

Analisi dei profili chimici di contaminazione

L'inquinamento ambientale è un fenomeno generalmente caratterizzato dalla presenza di una molteplicità di sostanze chimiche o agenti fisici diversi. Per meglio comprendere le caratteristiche di un fenomeno di contaminazione, ovvero la possibile sorgente che ne è causa e/o le trasformazioni chimico-fisiche alle quali gli inquinanti sono stati sottoposti una volta immessi nell'ambiente, risulta utile analizzare i rapporti relativi tra le concentrazioni delle diverse specie chimiche in un campione. L'analisi di questi rapporti è alla base di numerose tecniche di source apportionment (identidficazione del contributo delle diverse sorgenti emissive).

A titolo di esempio, la Fig.3 rappresenta le concentrazioni medie di diversi elementi che compongono il particolato atmosferico rilevato nel corso di due campagne di misura, una estiva ed una invernale. Le concentrazioni sono qui normalizzate sulla massa totale di PM10 campionato, e rappresentano quindi in contributo % medio di ciascun elemento chimico alla massa totale del campione.
Dall'analisi della figura si rileva:

  • una maggior presenza di elementi come Cloro (Cl), Potassio (K) e Zinco (Zn) nel periodo invernale: questi elementi sono considerati indicatori di combustione di materiale vegetale (es. camini a legna per il riscaldamento domestico)
  • un contributo superiore di elementi come Sodio (Na), Silicio (Si) e Calcio (Ca) nel periodo estivo: questi elementi sono indicatori di risollevamento di materiale crostale e potrebbero essere maggiormente presenti nel periodo estivo a causa delle condizioni meteorologiche più secche che favoriscono il sollevamento di particelle di terreno.

  

Profilo composizione elementare PM10

 Fig.3 - Profili di contaminazione media del particolato atmosferico. Le barre rappresentano il contributo medio percentuale di ciascun elemento chimico alla massa totale del particolato raccolto. Le barre rappresentano la deviazione standard dalla media. (Fonte: elaborazione personale)