Attività di ricerca

L'attività di ricerca perseguita all'interno dell'Istituto è stata, come sempre, finalizzata alla comprensione dei meccanismi di base della formazione, trasformazione e deposizione degli inquinanti, nonché allo sviluppo di nuovi metodi di valutazione ed analisi dello stato dell'ambiente.

Il gran numero di Contratti e Convenzioni ai quali l'Istituto ha dovuto fare fronte, hanno portato ad una notevole mole di ricerca applicata e di attività di servizio, senza però che questa abbia influito in misura determinante sullo sviluppo delle ricerche di curiosità o di base che, al contrario, si sono avvalse delle risorse disponibili per potersi adeguatamente sviluppare. Di conseguenza, anche in momenti non favorevoli per la ricerca italiana, è stato possibile acquisire risultati scientifici che hanno permesso di proseguire una tradizione di eccellenza a livello nazionale ed internazionale. Questo processo virtuoso costituisce la base per le attività future che, in questo modo, non saranno limitate da eventi "esterni" che, nell'ambito dell'Istituto sono certamente poco gestibili.

I meccanismi fondamentali dell'inquinamento fotochimico attraverso lo studio dei suoi precursori e della distribuzione spazio-temporale delle specie derivanti dalle reazioni fotochimiche coinvolte nel processo costituiscono ancora una delle linee fondamentali di ricerca. In particolare, sono proseguiti gli studi sulla formazione dell'Acido Nitroso che hanno portato nuova luce sul meccanismo in grado di formare radicali liberi in atmosfera e quindi di formare inquinanti fotochimici oppure di rimuovere dall'atmosfera sostanze in grado di esercitare un impatto negativo sull'ambiente. Da ricerche pregresse sviluppate nell'Istituto si è avuto modo di studiare e valutare il meccanismo fondamentale di formazione attraverso la reazione superficiale di ossidi di azoto con acqua. Tale modello di formazione, prima quasi sconosciuto, ha permesso di interpretare positivamente i più importanti fenomeni di inquinamento fotochimico verificatisi nei principali centri urbani. I risultati di questa ricerca hanno mostrato la possibilità di tarare ed impiegare adeguati modelli chimico-fisici che riescono a descrivere molto bene il fenomeno nelle aree urbane interessate dal fenomeno. L'importanza della ricerca è molteplice anche nel senso che essa ha permesso di studiare più approfonditamente le relazioni tra inquinamento atmosferico e situazione meteoclimatica locale. Infatti, applicando le osservazioni precedenti circa la presenza e la distribuzione temporale del radon e della sua progenie, è stato anche possibile migliorare i modelli descrittivi del fenomeno della stabilità atmosferica. A questo proposito, l'impiego di reti neurali si è rivelato decisivo nella possibilità di determinare con buona approssimazione lo sviluppo temporale dei fenomeni acuti di inquinamento. Tra l'altro, la possibilità di determinare i parametri meteorologici conseguenti alla stabilità atmosferica, hanno permesso di separare completamente le variabili meteorologiche da quelle emissive fornendo così un notevole strumento per la pianificazione degli interventi di risanamento della qualità dell'aria. Questo aspetto della ricerca è stato anche esteso agli inquinanti secondari che hanno così completato il quadro di riferimento delle ricerche dell'Istituto in uno dei principali aspetti della gestione dell'inquinamento atmosferico nelle grandi aree urbane, ossia ove diviene massima l'esposizione della popolazione.

Un altro contributo importante che queste ricerche hanno dato nella conoscenza dei fenomeni chimico-fisici è nella possibilità di impiegare tecniche basate sui reattori a flusso per determinare le costanti cinetiche delle reazioni superficiali. Adsorbimento fisico e chimico costituiscono, infatti, due fenomeni molto importanti per alcuni ambienti, quali quello urbano e quello "Indoor" caratterizzati da elevati rapporti Superfici/Volumi. In tali casi, le cinetiche di trasferimento delle molecole gassose alle superfici divengono gli elementi critici per una loro successiva evoluzione chimico-fisica od una loro trasformazione. In questo ambito è proseguito lo sviluppo delle tecniche di caratterizzazione delle superfici fotocatalitiche e delle loro proprietà ai fini di una loro applicazione pratica per la rimozione degli inquinanti atmosferici.

Altro contributo importante è stato dato dal miglioramento di alcune tecniche strumentali per la misura di particolari inquinanti. Tra questi, un nuovo strumento basato sulla cromatografia liquida e rivelazione a fluorescenza per la determinazione di microtracce di acido nitroso. Tale strumento, opportunamente adattato e rimaneggiato, può essere di grande importanza non solo per la chimica delle atmosfere urbane, ma anche per studi in ambienti remoti. Infatti, il suo limite di rivelabilità è dell'ordine della ppt (Parti per Trilione). E' stata svolta un'intensa attività per la caratterizzazione di nuovi sensori per la misura dell'inquinamento atmosferico al fine di una loro utilizzazione per la misura diretta dell'inquinamento proveniente da traffico veicolare ed autostradale.

Tra i prodotti formatisi nelle reazioni fitochimiche, le sostanze organiche contenenti gruppi carbonilici (Aldeidi e Chetoni), giocano un ruolo sempre più importante non solo come indici di provenienza delle masse d'aria inquinate, ma anche come elementi che definiscono la reattività dell'atmosfera. Recenti studi sull'evoluzione di queste specie hanno portato allo sviluppo di tecniche in grado di eseguire simultaneamente la misura per un gran numero di composti in fase gassosa ed in fase semi condensata. Anche in questo caso la tecnica analitica di elezione è stata la cromatografia liquida ad alta pressione che trova così un nuovo rinascimento nella chimica analitica applicata all'ambiente.

Sono anche proseguite le ricerche sull'applicazione di nuovi campionatori passivi, in particolare per quanto riguarda la loro efficienza in funzione delle variabili meteorologiche mediante lo studio della velocità di assorbimento in funzione delle caratteristiche fluidodinamiche dell'atmosfera. Sono stati anche sviluppati campionatori per altre sostanze chimiche prima non considerate tra le quali il mercurio atmosferico a supporto dello sviluppo di reti osservative in paesi in via di sviluppo.

Congiuntamente allo sviluppo di campionatoti passivi, coniugando competenze multi disciplinari nel campo dei materiali nano strutturati, della micro elettronica, e della fisica dei materiali è stato avviato una nuova linea di ricerca che mira allo sviluppo di sensori avanzati per il monitoraggio atmosferico e ambientale per la determinazione in real-time delle concentrazioni in aria di inquinanti organici e inorganici in fase gassosa e particellare. Questa linea di ricerca è in linea con la necessità di sviluppare sistemi avanzati di monitoraggio per supportare lo sviluppo di sistemi osservativi sia a scala urbana che globale attraverso l'impiego di sistemi a basso costo di investimento e di funzionamento, se confrontato con quelli tradizionali. In questi ultimi due anni (2013-2014) sono stati avviati progetti nuovi finanziati dalla UE (FP7 e H2020), internazionali (GEF-Banca Mondiale) e nazionali (MIUR).

Le ricerche sulla presenza di sostanze contenenti carbonio nel particolato atmosferico sono proseguite al fine di differenziare i diversi contributi, in particolare quelli dovuti a traffico Diesel ed agli aerosoli naturali che contribuiscono in misura determinante all'inquinamento regionale dei grandi centri urbani. Tutte queste ricerche sono state svolte nell'infrastruttura di ricerca della Stazione di Villa Ada in Roma che, insieme con quella di Montelibretti, orientata invece agli inquinanti di fondo, consente di studiare la dinamica degli inquinanti dalla sorgente all'atmosfera esterna alla città. A questo proposito, la scarsità di dati in proposito ha reso indispensabile avviare progetti di ricerca relativamente alla valutazione della quantità di inquinanti emessi dai motori Diesel per i quali sono stati messi a punto criteri per il campionamento e l'analisi delle emissioni, anche al fine di caratterizzare alcuni dispositivi di abbattimento. Tali ricerche sono state anche estese a composti caratterizzati da elevata tossicità. Sono infatti proseguite importanti ricerche nel settore della caratterizzazione delle sostanze organiche condensate presenti nel materiale particolato sospeso in relazione alla loro tossicità. Composti organici pesanti, specialmente policromatici sostituiti da ossigeno, nitrati etc. mostrano attività cancerogena molto spiccata e quindi la loro caratterizzazione diviene di grande importanza alla luce dei loro possibili effetti sulla salute dei soggetti esposti. Queste ricerche portano a notevoli avanzamenti nel settore della chimica analitica ambientale poiché consentono di migliorare tecniche e conoscenze relative alla risoluzione di miscele complesse che sono di grande importanza non solo per l'inquinamento atmosferico, ma anche per altre forme di contaminazione ambientale.

Tra queste è il caso di citare la caratterizzazione della Cocaina in aree urbane, ed altre droghe pesanti e leggere, oggi oggetto di notevole interesse sociale. Il successo di queste ricerche dipende in gran parte dalla disponibilità di infrastrutture di ricerca quali spettrometri di massa che consentono appunto di risolvere miscele organiche di grande complessità. Tra l'altro, queste tecniche sono state anche impiegate su campioni di provenienza marina e su sedimenti.

La caratterizzazione chimica del materiale particolato e la sua relazione con l'evoluzione degli aerosoli atmosferici è un campo nel quale l'Istituto continua a giocare un ruolo scientifico fondamentale. Data la complessità degli aerosoli e la loro importanza non solo per l'inquinamento atmosferico, ma anche per il ruolo da loro svolto nei meccanismi di cambiamento globale, la loro completa caratterizzazione costituisce un ambito di ricerca molto importante. In questo settore particolare cura è stata posta nelle misure di concentrazione di polveri PM10 e PM2,5 alla luce della loro pericolosità in termini di effetti ambientali e impatto sulla salute.

Nell'ambito di queste frazioni granulometriche sono state definite le caratteristiche relative alla composizione chimica al fine di identificare, per quanto possibile, la loro provenienza. In particolare, sono stati effettuati studi per la valutazione del contributo delle polveri naturali (sabbie sahariane, spray marino) alla concentrazione di materiale particellare. La recente acquisizione di uno spettrometro di fluorescenza a raggi X e di un microscopio elettronico ha contribuito ad accrescere il parco strumentale per le ricerche in questo settore. Nell'ambito delle ricerche sul particolato, è iniziata un'intensa attività scientifica nel settore delle nanoparticelle cha ha immediatamente trovato una appropriata collocazione internazionale per lo studio di un problema di grande interesse scientifico e pratico. Lo sviluppo delle tecniche di incenerimento di rifiuti in Italia è stato infatti pesantemente condizionato dalla presenza di queste particelle della quali peraltro poco si conosce circa la loro distribuzione spaziale e temporale. L'impulso dato alle attività di ricerca di tipo chimico-analitico non ha impedito lo sviluppo di attività scientifiche e tecniche in altre discipline. Il programma più importante a questo proposito è stato quello relativo alla studio di un nuovo approccio per il monitoraggio della qualità dell'aria che fa uso di sensori attivi in tempo reale e di stazioni di monitoraggio di saturazione. Infatti, data la limitata rappresentatività delle stazioni di tipo fisso, normalmente impiegate per la valutazione dell'inquinamento dell'atmosfera in aree urbane od industriali, è nata la necessità di acquisire dati con più elevata risoluzione spaziale e temporale. Un progetto industriale che potrebbe costituire la migliore risposta per le esigenze di monitoraggio di ambienti urbani ed industriale in Paesi sviluppati ed in via di sviluppo, compresi i Paesi che entreranno a far parte dell'Unione Europea, è stato completato nella Città di Parma con l'acquisizione di informazioni di grande importanza per la caratterizzazione dell'inquinamento da traffico veicolare. Questo approccio è ora nella fase di implementazione in sistemi di gestione del traffico in relazione all'inquinamento in aree urbane.

Una notevole attività è stata condotta attraverso l'impiego del rivelatore iperspettrale MIVIS che, come noto, ben si presta all'osservazione del territorio in particolare per i tematismi ambientali. Lo spettrometro continua ad essere caratterizzato in funzione della sua risposta mediante target disposti a terra nelle campagne di misura e valutando la risposta strumentale relativa. L'infrastruttura di ricerca relativa allo spettrometro MIVIS ed alle tecniche di telerilevamento hanno portato allo studio delle possibilità che questa tecnica apre per la valutazione di parametri relativi alla naturalità ed alla biodiversità. Tali obbiettivi sono in fase di raggiungimento attraverso lo sviluppo di adeguati modelli interpretativi funzionali ecologico-ambientali estensibili a scala nazionale per aree di cui poco o nulla è dato di conoscere dal punto di vista ecologico e strutturale. Le ricerche sono state condotte in particolare in aree ad elevato rischio ambientale al fine di caratterizzare discariche abusive. Parallelamente sono state condotte ricerche sulla possibilità di ottenere le stesse informazioni via satellite che, come noto, non offrono la stessa risoluzione spaziale e che hanno una capacità di informazione spettrale notevolmente più contenuta. La possibilità di concludere positivamente dette ricerche potrebbe aprire interessanti prospettive per l'applicazione delle tecniche iperspettrali in aree ove l'osservazione diretta della biodiversità potrebbe rivelarsi troppo difficoltosa. Attraverso le tecniche di telerilevamento sono anche proseguite le ricerche di integrazione delle osservazioni a terra e di quelle telerilevate. Ciò ha aperto un canale di ricerca tendente all'integrazione di tecniche di misura a diverso grado di risoluzione temporale e spaziale. Tale approccio è stato programmato per la caratterizzazione ambientale dei siti a rischio di inquinamento atmosferico (Aree siderurgiche e centrali elettriche).

L'utilizzazione delle tecniche iperspettrali ha anche portato a notevoli avanzamenti nella conoscenza delle grandi aree urbane sia da un punto di vista architettonico, che da un punto di vista ambientale. L'elevata risoluzione spettrale offerta dal rivelatore MIVIS ha permesso di studiare a fondo le coperture degli edifici, comprese quelle di cemento-amianto, che causano molti problemi ambientali a causa della loro capacità di dare luogo ad emissioni di fibre minerali e di determinare la distribuzione del calore all'interno delle aree urbane.

Une delle linee di ricerca di eccellenza dell'Istituto riguarda lo studio del ciclo degli inquinanti atmosferici persistenti (i.e., Hg, POPs) a diverse scale spaziali, con particolare riferimento all'area Mediterranea. Sono stati condotti molti progetti europei e internazionali, nonché sviluppo di infrastrutture osservative, sia off-shore che a bordo di aerei. Questo ha consentito di studiare i processi di deposizione e ri-emissione all'interfaccia atmosfera-mare. Con riferimento all'inquinamento da mercurio, sono stati determinati i fattori di emissione di interesse per tutta l'area mediterranea e sono state condotte ricerche per stabilire la sua distribuzione spaziale, temporale ed anche chimica. Infatti il Mercurio è presente in diverse specie chimiche di diversa tossicità e che si trasformano l'una nell'altra. Allo scopo di chiarire meglio i meccanismi che sono alla base del ciclo biogeochimico del Mercurio sono state condotte campagne sperimentali in aree urbane e remote come in zone artiche. Sin dal 2010 è stato avviato il progetto europeo (Global Mercury Observation System - GMOS - www.gmos.eu), coordinato dall'Istituto (UOS di Rende) che ha consentito di costruire un sistema osservativo globale che conta ad oggi oltre 40 siti situati nell'emisfero nord e sud, un programma continuo di campagne oceanografiche e un programma troposferico, quest'ultimo realizzato con il MPI e HZG. La rete osservativa GMOS supporta il programma GEOSS e UNEP nella implementazione della Convenzione Internazionale di Minamata. Le tecnologie acquisite nell'ambito dello studio del Mercurio sono state anche adeguatamente messe a frutto per sostanze organiche persistenti (POPs) che costituiscono un problema ambientale a scala globale. Dunque, la messa a punto di tecniche relative agli inventari ed alla dinamica di interazione tra atmosfera e superficie marina costituiscono elementi fondamentali per la comprensione di diversi problemi ambientali.

L'istituto conduce una importante attività di ricerca nelle aree polari sia con riferimento al ciclo del mercurio che alla chimica dei composti azotati. Sono stati condotti studi per valutare l'entità dell'interazione tra ossidi di azoto e superfici innevate quale elemento per la formazione di acido nitroso e quindi di radicali liberi nell'atmosfera polare. Tali studi sono stati eseguiti mediante misura dei flussi delle varie componenti gassose utilizzando tecniche micrometeorologiche accoppiate a dispositivi di misura di elevata precisione ed accuratezza. Le reazioni che sono state prese in considerazione per la formazione eterogenea di ossidi di azoto comprendono anche quelle a carico degli aerosoli che sono stati valutati chimicamente e fisicamente. Campagne sperimentali sono state anche condotte in Artico ed in Antartide portando l'Istituto ai massimi livelli internazionali in questo settore.

Nell'ambito di molti progetti EU e internazionali l'Istituto conduce attività di ricerca mirate a sviluppare sistemi interoperabili (cyner(e)onfrastructure) per lo sharing delle informazione, dati e sistemi di analisi ambientali sia per il settore dell'Inquinamento atmosferico che per altri settori di Scienze della Terra. L'Istituto è stato tra gli iniziatori dell'approccio di mediazione a broker per la realizzazione di sistemi di sistemi, oggi adottato in numerose iniziative incluso il Global Earth Observation System of Systems (GEOSS). Il personale dell'Istituto coordina progetti EU e internazionali nel settore dell'interoperabilità dei sistemi di osservazione della Terra, tra questi i.e., GEO/GEOSS, Research Data Alliance, Belmont Forum, INSPIRE.

Infine, nel settore della ricerca industriale, sono stati messi a punto sistemi di misura e di valutazione dell'inquinamento industriale e dei suoi effetti sull'ambiente con particolare riferimento ai composti contenenti cloro quali Diossine e Furani. Grande attenzione è stata data al problema dei metalli pesanti ed al ruolo che essi possono svolgere nella relazione tra ambiente e salute. A questo proposito proseguono le indagini sulle grandi sorgenti di diossina e di altri composti organici persistenti (POP).

Appare infine abbastanza evidente come le esperienze maturate nell'ambito dell'Istituto abbiano interessato non soltanto l'aspetto applicativo e quello puramente culturale, ma abbiano anche interessato importanti settori della vita economica e sociale del Paese. Tra questi, è appena il caso di accennare allo sviluppo di nuovi dispositivi di misura e di monitoraggio, nonché l'ottimizzazione di sistemi di rilevamento nelle emissioni a supporto delle tecnologie di controllo e riduzione degli inquinanti atmosferici da fonti industriali. Lo studio dell'inquinamento nelle grandi aree urbane ha portato a notevoli avanzamenti nel settore del contenimento delle emissioni civili, mentre l'attività di telerilevamento si è sostanziata in un contributo molto importante alle attività istituzionali del Ministero della Difesa e della lotta alla criminalità ambientale e non.