Prevedere per proteggere

La parola “modello” assume significati differenti: può indicare un modulo da compilare, un esempio da seguire, una riproduzione in scala, uno schema interpretativo o concettuale. L’etimologia rimanda al latino modus, inteso come misura o criterio, e al diminutivo modulus, ossia “piccola misura”. Per chi opera nel campo della tutela ambientale, questa origine linguistica risulta particolarmente evocativa: quando una misura diretta non è disponibile, interviene il modello. Non si tratta di una scelta dovuta a lentezza, costi o carenza di strumenti, ma a un limite intrinseco dell’osservazione sperimentale. Come spiegato molto bene anche in questo video divulgativo, non esiste infatti una misura in grado di rispondere direttamente a domande quali: cosa accadrà domani? Cosa accadrà quando una determinata attività entrerà in funzione? Oppure: cosa accadrebbe se una certa modifica venisse introdotta?

Nei primi due casi si parla di previsioni; nel terzo di scenari. Ed è proprio agli scenari che desideriamo dedicare queste riflessioni. Non agli scenari climatici, geopolitici o socioeconomici, pur modellizzati anch’essi mediante approcci matematici, bensì alla valutazione preventiva degli impatti sulla qualità dell’aria o altre componenti ambientali generati da nuovi impianti industriali, allevamenti intensivi o infrastrutture viarie in fase di progettazione. Dal punto di vista amministrativo, tali analisi vengono normalmente svolte nell’ambito delle procedure che portano alla realizzazione di nuove opere o attività produttive come la VIA (Valutazione Integrata Ambientale) o alla pianificazione del nostro territorio come la VAS (Valutazione Ambientale Strategica).

L’approccio consiste nel considerare un intervallo temporale sufficientemente lungo da includere l’intera gamma delle condizioni meteorologiche caratteristiche dell’area di interesse, poiché tali condizioni governano i processi di trasporto e dispersione degli inquinanti atmosferici. Convenzionalmente si assume un anno. Pur essendo ogni annualità diversa dalle altre, tale periodo risulta generalmente adeguato a rappresentare il comportamento medio del sistema. Si può quindi prendere come riferimento il 2018, il 2020 o il 2025 e ricostruire, ora per ora, il percorso che gli inquinanti, emessi da una sorgente ancora non esistente, avrebbero seguito nell’atmosfera.

Molti avranno osservato almeno una volta il movimento del fumo di una candela o di un camino. Il vento trasporta il pennacchio in una determinata direzione, mentre i moti turbolenti lo diluiscono e lo diffondono nello spazio circostante, in modo analogo a quanto avviene quando una goccia di colorante si disperde in un bicchiere d’acqua.

Per descrivere questi fenomeni è necessario ricostruire, per ogni ora dell’anno considerato, la direzione e la velocità media del vento sopra la zona di interesse a diverse quote dal suolo. Occorre inoltre stimare specifici parametri in grado di quantificare il livello di turbolenza atmosferica, distinguendo le situazioni caratterizzate da intense strutture vorticose da quelle in cui il flusso si sviluppa in maniera più ordinata e laminare.

La porzione di atmosfera più rilevante per questi studi è quella più prossima al terreno, nota come planetary boundary layer (PBL) o strato limite planetario. Durante il giorno essa viene continuamente rimescolata dai moti convettivi generati dal riscaldamento del suolo. In condizioni estive favorevoli, lo strato rimescolato può raggiungere quote dell’ordine di 2500 metri. Nelle notti invernali serene, invece, il raffreddamento radiativo del suolo determina la formazione di inversioni termiche che limitano fortemente il rimescolamento verticale dell’aria. Tra questi due estremi si colloca un’ampia varietà di situazioni intermedie.

La turbolenza atmosferica ha principalmente due origini. La prima è termica ed è associata ai processi convettivi appena descritti. La seconda è meccanica e deriva dall’interazione del vento con la rugosità del territorio, rappresentata da rilievi, vegetazione ed edifici. Tali ostacoli modificano il flusso atmosferico, generando vortici e strutture turbolente che influenzano significativamente la dispersione degli inquinanti.

Una volta che il modello, mediante sistemi di equazioni differenziali alle derivate parziali, ha descritto l’evoluzione dei primi duemila metri di atmosfera sopra l’area di studio per l’intero anno considerato, può iniziare a introdurre gli inquinanti emessi dalla sorgente e a seguirne il trasporto e la dispersione nel tempo.

Al termine delle simulazioni vengono calcolati gli indicatori necessari a rispondere alle domande poste in fase progettuale: quali concentrazioni massime e medie di inquinante potrebbero essere raggiunte presso le abitazioni? Le concentrazioni risultano maggiori in inverno o in estate? Durante il giorno o durante la notte? I livelli previsti rispettano i limiti normativi e le raccomandazioni dell’Organizzazione Mondiale della Sanità? Nel caso di sostanze odorigene, l’odore sarà percepibile? Potrà risultare accettabile oppure saranno necessarie tecnologie di abbattimento per ridurre le emissioni?

Se alle misure sperimentali si richiedono accuratezza e precisione elevate, è evidente che i modelli matematici rappresentano inevitabilmente una forma di approssimazione della realtà. Gli strumenti utilizzati derivano da decenni di ricerca scientifica internazionale, vengono applicati secondo normative e linee guida consolidate e sono stati validati anche mediante sperimentazioni in galleria del vento. Tuttavia, i fenomeni che essi descrivono sono intrinsecamente complessi, fortemente variabili e spesso caratterizzati da comportamenti caotici, ben lontani dalle condizioni controllate di laboratorio. È un po’ come disporre di un motore accuratamente testato e installarlo su un’automobile destinata a competere in pista: le prestazioni finali dipenderanno anche da numerosi fattori esterni.

Vi è poi un aspetto che può apparire sorprendente. Una volta realizzata l’opera e avviatone l’esercizio, infatti, molto spesso la modellistica numerica è l’unico modo per poterne quantificare gli impatti. In teoria, ovviamente, questa verifica è sempre possibile anche tramite misure e viene presidiata mediante la definizione di specifici Piani di monitoraggio. In pratica, però, quasi sempre gli impatti attesi sono talmente contenuti da risultare indistinguibili rispetto al cosiddetto fondo ambientale e alla sua normale variabilità.

Per chiarire il concetto possiamo utilizzare numeri presi dalla realtà. Se ad esempio in una certa area la concentrazione media annua di PM10 è pari a 18 μg/m³ e presenta variazioni naturali dell’ordine di ±2 μg/m³ da un anno all’altro, nonché differenze analoghe tra località distanti pochi chilometri, risulta estremamente difficile individuare il contributo di una singola sorgente il cui impatto atteso sia dell’ordine di 0,1 μg/m³. È come cercare di distinguere una voce sommessa all’interno di un ambiente dove altre persone parlano.

Valutare gli impatti, pertanto, richiede di quantificare preventivamente il quadro emissivo complessivo del territorio, solitamente caratterizzato dalla presenza di numerose sorgenti quali impianti di riscaldamento, traffico veicolare, attività industriali, agricole e zootecniche. Il contributo apportato da una nuova sorgente, che spesso risulta contenuto rispetto al carico emissivo locale, va quindi valutato nel contesto dell'insieme delle pressioni ambientali già presenti.

Con questo approccio, il sistema normativo e le procedure di valutazione e autorizzazione ambientale consentono di esaminare con attenzione, avvalendosi del supporto della modellistica matematica, gli effetti delle nuove attività produttive. L'autorizzazione di nuove sorgenti emissive, in questo modo, è subordinata alla verifica che gli impatti attesi siano compatibili con gli obiettivi complessivi di tutela della qualità dell'ambiente e della salute pubblica.

In Europa e in altre aree con caratteristiche socioeconomiche comparabili, i modelli di sviluppo, i sistemi normativi e di tutela della salute, le attività produttive e gli organismi di protezione dell’ambiente concorrono a determinare un contesto nel quale la qualità dell’aria è il risultato dell’interazione di molteplici fattori. In questo contesto la modellistica ambientale rappresenta uno strumento essenziale per orientare decisioni consapevoli e responsabili.