Sondare l’atmosfera nelle tre dimensioni per monitorare meglio le polveri sottili

Uno studio scientifico di CNR-ISAC e ARPA Valle d’Aosta descrive la rete italiana ALICEnet (Automated LIdar-CEilometer network) e ne dimostra le possibili applicazioni, utili anche per le agenzie ambientali.

Le particelle sottili e il monitoraggio atmosferico in “3D”

Le particelle sottili (PM) presenti nell’atmosfera hanno importanti effetti sulla nostra salute e sul nostro pianeta.

Ai fini delle valutazioni di qualità dell’aria, esse vengono monitorate tradizionalmente attraverso centraline a terra, che campionano e analizzano la stessa aria respirata dall’uomo, dandone quindi un quadro bidimensionale nello spazio.

Negli ultimi anni, tuttavia, si è affiancato, a questo tipo di monitoraggio alla superficie, un approccio esteso alla terza dimensione spaziale, che approfondisce cioè lungo la verticale le informazioni ottenute a terra riguardanti il particolato sottile e ci permette di capirne meglio

• gli effetti,
• l’evoluzione,
• la tipologia,
• le possibili sorgenti emissive.

Gli strumenti ideali per questo tipo di osservazione avanzata sono i lidar-ceilometer automatici (ALC), che, grazie a un raggio laser, «radiografano» l’atmosfera da terra fino a circa 15 km di altezza.

ALICEnet: la rete italiana di lidar-ceilometer

ALICEnet (Automated LIdar-CEilometer network) è la rete consortile italiana di ALC, avviata e coordinata dal CNR-ISAC nel 2015, e in progressiva espansione.

Ad oggi, ALICEnet conta oltre 20 stazioni distribuite su tutto il territorio nazionale, grazie alla collaborazione tra il CNR-ISAC e diverse agenzie per la protezione dell’ambiente, università e istituti di ricerca.

Questa rete permette di monitorare ambienti diversi dal nord a sud Italia, dalle città alle coste, fino alle aree montane e vulcaniche: la nostra Agenzia è stata tra le prime ad aderirvi e ha dato un contribuito fondamentale allo sviluppo di ALICEnet.

Grazie a questa rete, è possibile monitorare in 3D, in maniera continua e ad alta risoluzione le particelle sottili su scala nazionale.

I dati, nella loro versione base, sono visualizzati in tempo quasi reale sul sito-web della rete (www.alice-net.eu). Essi non si fermano all’Italia, per alcuni siti vengono condivisi a livello europeo attraverso il programma dell’EUMETNET E-PROFILE, fornendo informazioni preziose alla comunità scientifica internazionale.

La mappa della rete ALICEnet mostra la distribuzione capillare delle sue stazioni di monitoraggio, che si estendono da nord a sud della penisola in ambienti molto diversi.

Perché è importante?

Uno dei principali vantaggi di ALICEnet è la sua capacità di fornire informazioni sulle proprietà delle particelle sottili non ottenibili con le normali centraline di qualità dell’aria a terra. Tra questi:

• La distribuzione verticale delle polveri sottili nell’atmosfera, ad esempio in termini di concentrazione di particolato (PM) a diverse altezze
• L’identificazione automatica degli strati di polveri sottili a varie quote (ad esempio, lo strato rimescolato vicino a terra e gli strati più alti)
• La capacità delle particelle di interagire con la radiazione solare (proprietà ottiche).

Questi dati sono fondamentali per numerose applicazioni, come:

• Il monitoraggio della qualità dell'aria e l’identificazione dei fenomeni di trasporto a medio e lungo raggio e di dispersione degli inquinanti
• Il supporto alla modellistica atmosferica e alle previsioni meteorologiche
• La validazione delle misure di PM al suolo ottenute dallo spazio coi satelliti
• Lo studio degli effetti delle polveri sottili sul clima
• Il monitoraggio del particolato durante  eventi particolarmente significativi o estremi, come il massiccio trasporto di sabbie desertiche e polveri da incendi, ma anche da eruzioni vulcaniche che spesso minano anche  la sicurezza  aerea.

Uno sguardo ai dati

Alcuni esempi di prodotti generati dai tool di processamento originali sviluppati dalla rete: l’esempio si riferisce al sito di Roma Tor Vergata nel periodo 4-13 luglio 2017. Tra i prodotti visualizzati vi sono il profilo di estinzione da terra fino a 7 km di quota e l’associato spessore ottico dell’aerosol (in alto), gli strati riconosciuti automaticamente (al centro) e la concentrazione stimata di PM (in basso).

Il recente studio 

Sulla rivista internazionale open access Atmospheric Measurement Techniques è stato appena pubblicato l'articolo scientifico "ALICENET – an Italian network of automated lidar ceilometers for four-dimensional aerosol monitoring: infrastructure, data processing, and applications", che descrive nel dettaglio la rete ALICEnet e le sue potenzialità.

Il lavoro, frutto della collaborazione tra CNR-ISAC e ARPA Valle d'Aosta, illustra l'infrastruttura di ALICEnet e i suoi innovativi algoritmi di elaborazione dei dati e dimostra le ottime prestazioni della rete attraverso confronti con varie misure indipendenti (fotometri solari, campionatori in-situ) effettuate in diverse località italiane.

Questo studio evidenzia quanto sia importante la sinergia tra enti di ricerca e agenzie ambientali per sviluppare strumenti innovativi a supporto del monitoraggio ambientale e della ricerca sull’atmosfera, che consentano anche di essere presenti attivamente in contesti Europei di riferimento.

ALICEnet si propone come un modello di eccellenza in questo senso, perché rappresenta un esempio virtuoso di connubio tra ricerca scientifica e applicazioni operative nel monitoraggio della qualità dell'aria e dello studio del clima sul quale anche l’Europa sta investendo.