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Inquinanti e Indice della Qualità dell´Aria (IQA)

Introduzione

L´atmosfera terrestre, comunemente chiamata aria, è un aerosol di dispersioni di particelle liquide e solide in un involucro gassoso costituito da una miscela di gas composta da Azoto(N2), Ossigeno(O2), vapore acqueo, Argon (Ar), Biossido di Carbonio (CO2) e gas rari.

 

Particolato PM10

Che cos´è

Il particolato è l’inquinante atmosferico che provoca i maggiori danni alla salute umana in Europa. È costituito da particelle così leggere che possono fluttuare nell’aria. Si tratta di particelle solide e liquide aventi diametro aerodinamico variabile fra 0,1 e circa 100 μm. Il termine PM10 identifica le particelle di diametro aerodinamico inferiore o uguale ai 10 μm (1 μm = 1 millesimo di millimetro). Le particelle PM10 penetrano in profondità nei nostri polmoni. Queste particelle possono essere costituite da diversi componenti chimici, di cui i principali sono solfati, nitrati, ammonio, e da una  frazione carboniosa (nerofumo) dovuta principalmente alla combustione. Anche alcuni metalli pesanti come l’arsenico, il cadmio, il mercurio e il nickel possono essere presenti nel particolato. Il loro effetto sulla nostra salute e sull’ambiente dipende dalla loro composizione. A seconda della loro composizione chimica, le particelle possono anche avere effetti sul clima globale, sia riscaldando che raffreddando il pianeta.

Come si origina

Alcune particelle vengono emesse direttamente nell’atmosfera, altre si formano come risultato di reazioni chimiche che coinvolgono i gas precursori, vale a dire l’anidride solforosa, gli ossidi di azoto, l’ammoniaca e i composti organici volatili. Gran parte delle particelle emesse direttamente derivano dalle attività umane, principalmente dalla combustione di combustibili fossili e biomasse. Un importante contributo alle emissioni di particelle è rappresentato dai gas di scarico dei veicoli con motori a combustione interna, ma anche dall’usura dei pneumatici, dei freni e dell’asfalto. Sono dovuti alle attività umane anche gran parte dei gas precursori. Il PM10 può avere anche origine naturale (ad esempio erosione dei suoli, eruzioni vulcaniche, incendi di boschi e praterie, aerosol marino). L’origine dell’inquinamento da PM10 varia sensibilmente da zona a zona e nel corso del tempo. Si stima che, in media, in Emilia-Romagna la parte preponderante dell’inquinamento da PM10sia dovuto alle attività umane, con una frazione variabile tra il 75% in Appennino e l’85% in pianura. La frazione di PM10 dovuta alle attività umane sarebbe per il 40-50% emessa direttamente nell’atmosfera, mentre il restante 50-60% risulta dalle reazioni chimiche.

Valori limite consentiti dalla legge (D.Lgs.155/2010)

Particolato PM2,5

Che cos´è

L’inquinamento da particolato fine (PM2,5, ossia particolato con un diametro minore di 2,5 micron) è composto da particelle solide e liquide così piccole che non solo penetrano in profondità nei nostri polmoni, ma entrano anche nel nostro flusso sanguigno, proprio come l’ossigeno. Queste particelle possono essere costituite da diversi componenti chimici tra cui alcuni metalli pesanti come l’arsenico, il cadmio, il mercurio e il nickel. La frazione carboniosa (nerofumo) costituisce uno dei componenti principali del particolato fine. Un recente studio dell’Organizzazione mondiale della sanità dimostra che l’inquinamento da particolato fine potrebbe essere un problema per la salute maggiore di quanto si pensasse in precedenza. Secondo il rapporto dell’OMS «Rassegna delle prove sugli aspetti sanitari dell’inquinamento atmosferico», un’esposizione prolungata al particolato fine può scatenare l’aterosclerosi, creare problemi alla nascita e malattie respiratorie nei bambini. Lo studio inoltre suggerisce un possibile collegamento con lo sviluppo neurologico, le funzioni cognitive e il diabete, e rafforza il nesso di causalità tra PM2,5 e morti cardiovascolari e respiratorie.

Come si origina

Alcuni componenti del particolato fine (con un diametro minore di 2,5 micron) vengono emessi direttamente nell’atmosfera, altri si formano come risultato di reazioni chimiche che coinvolgono i gas precursori, vale a dire l’anidride solforosa, gli ossidi di azoto, l’ammoniaca e i composti organici volatili. Il PM2,5 può avere anche origine naturale (ad esempio erosione dei suoli, eruzioni vulcaniche, incendi boschivi e aerosol marino). L’origine dell’inquinamento da PM10 varia sensibilmente da zona a zona e nel corso del tempo. Il nerofumo, uno dei componenti comuni della fuliggine rilevato principalmente nel particolato fine, è il risultato della combustione incompleta di combustibili - sia di combustibili fossili che del legno. Nelle aree urbane le emissioni di nerofumo sono causate principalmente dal trasporto stradale, in particolare dai motori diesel. Sono dovuti alle attività umane anche gran parte dei gas precursori.

Valori limite consentiti dalla legge (D.Lgs.155/2010)

Metalli pesanti

Che cosa sono

Nel particolato atmosferico sono presenti metalli di varia natura. I principali sono cadmio (Cd), zinco (Zn), rame (Cu), nichel (Ni), piombo (Pb), arsenico (As) e ferro (Fe). Tra i metalli che sono stati oggetto di monitoraggio, quelli a maggiore rilevanza sotto il profilo tossicologico sono il nichel, il cadmio, l’arse nico e il piombo. I composti inorganici del nichel, del cadmio e dell’arsenico sono classificati dalla Agenzia Internazionale di Ricerca sul Cancro come cancerogeni per l’uomo. Per il piombo è stato evidenziato un ampio spettro di effetti tossici, in quanto tale sostanza interferisce con numerosi sistemi enzimatici.

Come si originano

I metalli presenti nel particolato atmosferico provengono da una molteplice varietà di fonti: il cadmio e lo zinco sono originati prevalentemente da processi industriali, il rame e il nichel provengono dalla combustione, il piombo dalle emissioni autoveicolari. Le maggiori fonti antropogeniche dell’arsenico sono le attività estrattive, la fusione di metalli non ferrosi e la combustione di combustibili fossili. Il ferro proviene dall’erosione dei suoli, dall’utilizzo di combustibili fossili e dalla produzione di leghe ferrose. In particolare, il piombo di provenienza autoveicolare è emesso quasi esclusivamente da motori a benzina, nella quale è contenuto sotto forma di piombo tetraetile e/o tetrametile con funzioni di antidetonante. Negli agglomerati urbani tale sorgente rappresenta pressoché la totalità delle emissioni di piombo e la granulometria dell’aerosol che lo contiene si colloca quasi integralmente nella frazione respirabile (PM10). L’adozione ge ne  ralizzata della benzina “verde” (0,013 g/l di Pb) dal 1 gennaio 2002 ha portato una riduzione delle emissioni di piombo del 97%; in conseguenza di ciò è praticamente eliminato il contributo della circolazione autoveicolare alla concentrazione in aria di questo metallo.

 

Ozono

Che cos´è

L´ozono (O3) è una forma speciale e altamente reattiva di ossigeno ed è composto da tre atomi di ossigeno. Nella stratosfera, uno degli strati più alti dell’atmosfera, l’ozono ci protegge dalle pericolose radiazioni ultraviolette provenienti dal sole. Ma nello strato più basso dell’atmosfera – la troposfera – l’ozono è, di fatto, un’importante sostanza inquinante che influisce sulla salute pubblica e l’ambiente. L’ozono è reattivo e fortemente ossidante. Alti livelli di ozono corrodono i materiali, gli edifici e i tessuti vivi. L’ozono riduce la capacità delle piante di eseguire la fotosintesi e ostacola il loro assorbimento di anidride carbonica. Indebolisce inoltre la crescita e la riproduzione delle piante, con il risultato di minori raccolti e di uno sviluppo ridotto di boschi e foreste. Nel corpo umano provoca infiammazioni ai polmoni e ai bronchi. Non appena esposto all’ozono, il nostro corpo cerca di impedirne l’entrata nei polmoni. Questa reazione riduce l’ammontare di ossigeno che inaliamo. Inalare meno ossigeno rende il lavoro del cuore più difficile. Quindi per le persone che già soffrono di disturbi cardiovascolari o respiratori, come l’asma, picchi di ozono possono essere debilitanti e persino fatali.

Come si origina

L’ozono a livello del suolo si forma come risultato di reazioni chimiche complesse tra gas precursori, come gli ossidi di azoto e i composti organici volatili diversi dal metano. Anche il metano e il monossido di carbonio giocano un ruolo nella sua formazione. Le reazioni chimiche che producono ozono sono catalizzate dalla radiazione solare, di conseguenza questo inquinante è tipicamente estivo e assume valori di concentrazione più elevati nelle estati contrassegnate da alte temperature e elevata insolazione. L’immissione di inquinanti primari (prodotti dal traffico, dai processi di combustione, dai solventi delle vernici, dall’evaporazione di carburanti, etc.) favorisce quindi la produzione di un eccesso di ozono rispetto alle quantità altrimenti presenti in natura durante i mesi estivi. Gran parte dell’ozono presente in Europa è dovuto all’inquinamento, sebbene alcuni processi naturali, come i fulmini o l’intrusione dalla stratosfera, possano aumentare la concentrazione di ozono al suolo. Anche i composti organici volatili, uno dei principali gruppi di gas precursori dell’ozono, sono in parte di origine naturale. Si stima che in Emilia-Romagna circa il 20% di composti organici volatili sia di origine naturale.

  

Biossido di azoto

Che cos´è

Il biossido di azoto (NO2) è un gas reattivo, di colore bruno e di odore acre e pungente. L’NO2 è un importante inquinante dell’aria che, come l’ozono, risulta dannoso per il sistema respiratorio. L’esposizione a breve termine all’NO2 può causare diminuzione della funzionalità polmonare, specie nei gruppi più sensibili della popolazione, mentre l’esposizione a lungo termine può causare effetti più gravi come un aumento della suscettibilità alle infezioni respiratorie. L’NO2 è fortemente correlato con altri inquinanti, come il PM, perciò negli studi epidemiologici è difficile differenziarne gli effetti dagli altri inquinanti. L’ NO2 è uno dei composti dell’azoto che producono effetti negativi sugli ecosistemi, come l’acidificazione e l’eccesso di nutrienti (eutrofizzazione). L’eccesso di azoto nutriente può causare cambiamenti negli ecosistemi acquatici e marini e causare perdita di biodiversità. Gli ossidi di azoto giocano un ruolo principale nella formazione di ozono e contribuiscono alla formazione di aerosol organico secondario, determinando un aumento della concentrazione di PM10 e PM2,5.

Come si origina

Il biossido di azoto (NO2) si forma prevalentemente dall’ossidazione di monossido di azoto (NO). Questi due gas sono noti con il nome di NOx. Le maggiori sorgenti di NO ed NO2 sono i processi di combustione ad alta temperatura (come quelli che avvengono nei motori delle automobili o nelle centrali termoelettriche). L’NO rappresenta la maggior parte degli NOx emessi; per gran parte delle sorgenti, solo una piccola parte di NOx è emessa direttamente sotto forma di NO2 (tipicamente il 5-10 %). Fanno eccezione i veicoli diesel, che emettono una proporzione maggiore di NO2, fino al 70% degli NOx complessivi, a causa del sistema di trattamento dei gas di scarico di questi veicoli.

 

Valori limite consentiti dalla legge (D.Lgs.155/2010)

 

Benzene

Che cos´è

Il benzene (C6H6) è una sostanza chimica liquida e incolore dal caratteristico odore aromatico pungente. A temperatura ambiente volatilizza assai facilmente, cioè passa dalla fase liquida a quella gassosa. L’effetto più noto dell’esposizione cronica riguarda la potenziale cancerogenicità del benzene sul sistema emopoietico (cioè sul sangue). L’Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) classifica il benzene come sostanza cancerogena di classe I, in grado di produrre varie forme di leucemia. La classe I corrisponde a un’evidenza di cancerogenicità per l’uomo di livello “sufficiente”.

Come si origina

In passato il benzene è stato ampiamente utilizzato come solvente in molteplici attività industriali e artigianali (produzione di gomma, plastica, inchiostri e vernici, nell’industria calzaturiera, nella stampa a rotocalco, nell’estrazione di oli e grassi etc.). La maggior parte del benzene oggi prodotto (85%) trova impiego nella chimica come materia prima per numerosi composti secondari, a loro volta utilizzati per produrre plastiche, resine, detergenti, pesticidi, intermedi per l’industria farmaceutica, vernici, collanti, inchiostri, adesivi e prodotti per la pulizia. Il benzene è inoltre contenuto nelle benzine in cui viene aggiunto, insieme ad altri composti aromatici, per conferire le volute proprietà antidetonanti e per aumentarne il “numero di ottani”, in sostituzione totale (benzina verde) o parziale (benzina super) dei composti del piombo.

 

Monossido di carbonio

Che cos´è

Il monossido di carbonio (CO), incolore e inodore, è un tipico prodotto derivante dalla combustione. Il CO viene formato in modo consistente durante la combustione di combustibili con difetto di aria e cioè quando il quantitativo di ossigeno non è sufficiente per ossidare completamente le sostanze organiche. A bassissime dosi il CO non è pericoloso, ma già a livelli di concentrazione nel sangue pari al 10-20% il soggetto avverte i primi sintomi dovuti all’esposizione a monossido di carbonio, quali lieve emicrania e stanchezza. 

Come si origina

La principale sorgente di CO è storicamente rappresentata dal traffico veicolare (circa l’80% delle emissioni a livello mondiale), in particolare dai gas di scarico dei veicoli a benzina. La concentrazione di CO emessa dagli scarichi dei veicoli è strettamente connessa alle condizioni di funzionamento del motore: si registrano concentrazioni più elevate con motore al minimo e in fase di decelerazione, condizioni tipiche di traffico urbano intenso e rallentato. La continua evoluzione delle tecnologie utilizzate ha comunque permesso di ridurre al minimo la presenza di questo inquinante in aria.

 

Biossido di zolfo

Che cos´è

L’assenza di colore, l’odore acre e pungente e l´elevata reattività a contatto con l’acqua sono le caratteristiche principali degli ossidi di zolfo, genericamente indicati come SOx. In natura tale tipo di inquinamento è causato dalle eruzioni vulcaniche.

Come si origina

A livello antropico, SO2 e SO3 sono prodotti nelle reazioni di ossidazione per la combustione di materiali in cui sia presente zolfo quale contaminante, ad esempio gasolio, nafta, carbone, legna, utilizzati, in misura molto maggiore sino a qualche anno fa, per la produzione di calore, vapore, energia elettrica e altro. Fino a non molto tempo fa il biossido di zolfo costituiva il principale indicatore dell’inquinamento di origine umana.

 

Idrocarburi policiclici aromatici - Benzo(a)pirene

Che cosa sono

Gli Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) costituiscono un numeroso gruppo di composti organici formati da uno o più anelli benzenici. In generale si tratta di sostanze solide a temperatura ambiente, sostanze scarsamente solubili in acqua, degradabili in presenza di radiazione ultravioletta ed altamente affini ai grassi presenti nei tessuti viventi. Il composto più studiato e rilevato è il benzo(a)pirene che ha una struttura con cinque anelli aromatici condensati. È una delle prime sostanze di cui si è accertata la cancerogenicità ed è stato quindi utilizzato come indicatore dell’intera classe di composti policiclici aromatici. In particolare, nove persone su centomila esposte a una concentrazione di 1 ng/m3 di benzo(a)pirene sono a rischio di contrarre il cancro, da cui è stato individuato il limite proposto.

Come si originano

Gli Idrocarburi Policiclici Aromatici sono contenuti nel carbone e nei prodotti petroliferi (particolarmente nel gasolio e negli oli combustibili). Essi vengono emessi in atmosfera come residui di combustioni incomplete in alcune attività industriali (cokerie, produzione e lavorazione grafite, trattamento del carbon fossile) e nelle caldaie (soprattutto quelle alimentate con combustibili solidi e liquidi pesanti); inoltre, sono presenti nelle emissioni degli autoveicoli (sia diesel che benzina). La presenza di questi composti nei gas di scarico degli autoveicoli è dovuta sia alla frazione presente come tale nel carburante, sia alla frazione che per pirosintesi ha origine durante il processo di combustione. Sorgente significativa di IPA è la combustione di biomassa legnosa per il riscaldamento domestico. L’Agenzia Europea per l’Ambiente ha stimato che nel 2012, negli stati membri della Ue, l’85% delle emissioni di B(a)P sia dovuto alla combustione da riscaldamento e che vi sia stato un incremento delle emissioni nel periodo 2003-2012 dovuto all’aumento dell’utilizzo di biomassa legnosa. In generale l’emissione di IPA nell’ambiente risulta molto variabile a seconda del tipo di sorgente, del tipo di combustibile e della qualità della combustione.


La normativa (D. Lgs. 155 del 13/8/2010 e Direttiva UE 2008/50/CE) regolamenta la gestione della qualità dell’aria, andando a definire per gli inquinanti i valori limite, valori obiettivo, soglie di informazione e di allarme, ecc. Vai alla tabella dei parametri normativi.

 

Per saperne di più

Cos´è l´IQA

L´inquinamento atmosferico è un importante fattore di rischio per la salute umana. Al fine di comunicare alla popolazione in modo semplice ed immediato il livello qualitativo dell´aria che si respira, ARPAE Emilia-Romagna ha deciso di definire un indice di qualità dell´aria (IQA) che rappresenti sinteticamente lo stato complessivo dell´inquinamento atmosferico

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La scelta degli inquinanti

Gli inquinanti solitamente inclusi nella definizione degli indici di qualità dell´aria sono quelli che hanno effetti a breve termine, quali il monossido di carbonio (CO), il biossido di azoto (NO2), l´ozono (O3), il biossido di zolfo (SO2), il particolato (PTS, PM10 o PM2.5 a seconda delle dimensioni). Tale scelta, seppur discutibile, nasce dal fatto che gli indici sono formulati nell´ottica di dare indicazioni quotidiane alla popolazione per evitare proprio tali tipi di effetti (in genere di tipo cardiovascolare o respiratorio).

Nel calcolo dell´indice per l´Emilia-Romagna si è deciso di includere solo il PM10, l´NO2 e l´O3 che tra gli inquinanti con effetti a breve termine sono quelli che nella nostra regione presentano le maggiori criticità. Sono stati invece esclusi il CO e l´SO2 che hanno conosciuto negli ultimi decenni una drastica diminuzione delle loro concentrazioni tanto da essere ormai stabilmente e ampiamente sotto ai limiti di legge.

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Come si calcola

Una volta definiti gli inquinanti, i passaggi principali nella costruzione di un indice di qualità dell´aria :

1. Costruzione di una scala adimensionale (sottoindice) per ogni inquinante.

2. Costruzione di un indice sintetico unico, a partire dai sottoindici definiti per ogni inquinante.

Il sottoindice per ogni inquinante viene definito dividendo la concentrazione misurata o prevista dell´inquinante considerato per il limite previsto dalla legislazione per la difesa della salute (nel caso di più limiti si sceglie il più basso) e moltiplicando per 100. La tabella sotto riporta i limiti che sono stati utilizzati per il calcolo dei tre sottoindici.

 

  

Passaggio successivo nella costruzione dell´indice è la definizione delle modalità di aggregazione dei diversi sottoindici. In linea con l´approccio adottato dalla maggior parte degli indici utilizzati a livello internazionale, si è scelto di definire il valore dell´indice sintetico come il valore del sottoindice peggiore.

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Le classi

I valori dell´indice sono stati raggruppati in cinque classi con una ampiezza degli intervalli uniforme e pari a 50. L´adozione di un numero ridotto di classi è legata alle accuratezza raggiungibile dai modelli previsionali.

La tabella seguente riporta le classi identificate con i corrispondenti intervalli di valori numerici e cromatismi.

 

 


Quindi, un colore arancione, rosso o viola (corrispondente ad un valore dell´indice superiore a 100) indica che almeno uno degli inquinanti supera il limite di legge.


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Test di applicazione

E´ stato effettuato un test di applicazione dell´indice di qualità dell´aria su diversi agglomerati del territorio regionale per il periodo 2003-2005. I risultati evidenziano una preponderanza del livello giallo (in circa il 60% dei giorni). Il livello verde è associato a poco più del 10% delle giornate mentre il livello arancione a circa il 25%. I livelli di particolare criticità sono pari a circa il 6% del totale (una ventina di giorni all´anno).

 

 

 

Il valore dell´indice è superiore a 100 nel 30% circa dei giorni (ricordiamo che il valore dell´indice è superiore a 100 se almeno uno degli inquinanti considerati nel calcolo supera il limite di legge).

Il 60% circa dei superamenti complessivi è causato dal PM10; l´O3, è responsabile del restante 40%. L´NO2 è talvolta l´inquinante con il sottoindice peggiore, ma non lo è mai in caso di superamento dei limiti.

Il contributo dei diversi inquinanti al calcolo dell´indice è molto legato alla stagione. In estate l´ozono è responsabile della maggior parte dei superamenti (90% circa), mentre nel periodo invernale l´unico responsabile dei superamenti è il PM10.

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Il significato sanitario dell´indice

Per costruire un indice di qualità dell´aria su basi scientifiche sarebbe necessario conoscere il rischio sanitario associato ad ogni possibile combinazione dei livelli degli inquinanti. Lo stato attuale delle conoscenze in ambito epidemiologico è tuttavia abbastanza lontano da tale obiettivo: difficoltà di tipo statistico e tossicologico rendono infatti problematica la conoscenza dell´effetto sia dei singoli inquinanti, sia delle varie combinazioni dei diversi inquinanti.

Il numero e la definizione delle classi dell´indice sono determinati da esigenze di natura comunicativa, più che da motivazioni di tipo epidemiologico o tossicologico. La letteratura infatti non ha individuato una soglia di assenza di effetto per alcun inquinante, né intervalli di concentrazione all´interno dei quali si manifestino effetti sanitari specifici. Pertanto, si è scelto di comunicare lo stato della qualità dell´aria con una scala di criticità che rispecchia un rischio sanitario proporzionale ai livelli di inquinamento, senza però associare ai livelli stessi consigli specifici.