Inquinamento globale dell’aria: le mappe satellitari

Dato che l’inquinamento dell’aria è espresso, nei vari Paesi, da “Indici di Qualità dell’Aria” differenti (cioè valori adimensionali calcolati con metodiche diverse), per poter confrontare l’inquinamento fra due Paesi – ad es. fra una zona d’Italia e una della Francia o degli USA – o si confrontano i valori assoluti misurati per i principali inquinanti dalle reti di rilevamento locali o, più semplicemente, le mappe satellitari.

Il lato negativo dei satelliti è che le misure fornite sono difficili da calibrare, per cui i confronti nel tempo o la determinazione dei valori assoluti misurati sono tutt’altro che semplici. Inoltre, a differenza dei sensori usati dalle stazioni a terra, i satelliti non misurano gli inquinanti direttamente: i dati che forniscono sono il frutto di una conversione dipendente da dei modelli teorici e dalla relativa accuratezza.

In compenso, i satelliti permettono di monitorare una varietà di fenomeni in modo giornaliero e globale, compreso il trasporto a lunga distanza o intercontinentale degli inquinanti dell’aria. Il monitoraggio dell’inquinamento dell’aria si aggiunge quindi a quello meteorologico, del livello di ozono stratosferico, della temperatura del pianeta, del cambiamento climatico e dei fenomeni estremi, etc.

Le mappe del satellite europeo Sentinel-5P

Il 13 ottobre 2017 l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha lanciato un satellite europeo, chiamato Sentinel-5P, costruito per mappare l’inquinamento atmosferico globale con un dettaglio senza precedenti. Il satellite fa parte del programma Copernicus dell’Unione Europea per le missioni di monitoraggio della Terra, ma è il primo dedicato alla creazione di una mappa globale della qualità dell’aria ogni 24 ore.

Lo strumento ha lo scopo di monitorare per i suoi 7 anni di missione previsti – ma ha carburante per durare un decennio – i gas in traccia (cioè presenti in piccole quantità) che influenzano il clima e l’aria che respiriamo, come il biossido di azoto (NO₂), l’ozono (O₃), la formaldeide (CH₂O), il biossido di zolfo (SO₂), il metano (CH₄), il monossido di carbonio (CO) e gli aerosol.

Una delle prime immagini della missione Sentinel-5P mostra il biossido di azoto in Europa il 22 novembre 2017. Sono evidenti le alte emissioni sulla Pianura Padana, nel nord Italia, e sulla Germania occidentale. Il biossido di azoto inquina l’aria principalmente a causa della combustione di combustibili fossili, di biomasse o biogas in impianti industriali e in centrali elettriche, e del traffico stradale. Ci sono alcune lacune nella copertura perché Sentinel-5P non può visualizzare le immagini attraverso le nuvole.

Un’immagine dell’inquinamento da biossido di azoto dell’Europa inviata dal satellite Sentinel 5P nel dicembre 2017. La Pianura Padana risulta la zona di gran lunga più inquinata del Vecchio Continente. Le zone marroni sono coperte dalle nuvole. (fonte: ESA)

Anche le altre prime immagini inviate dal satellite sono state salutate come eccezionali e mostrano come questo esso sia destinato a svolgere il compito di monitorare la qualità dell’aria portandolo in una nuova era. Grazie alla raffinatezza degli strumenti che ha a bordo, la sua missione permette di inquadrare gli inquinanti atmosferici principali in modo più dettagliato che mai.

Alcuni dei primi dati sono stati usati per creare una mappa globale del monossido di carbonio. Più in generale, i dati da esso forniti saranno usati per emettere previsioni basate su dati reali – e non su semplici estrapolazioni dei dati rilevati dalle poche centraline basate a terra in Paesi come l’Italia – e alla fine saranno preziosi per contribuire a mettere in atto politiche di mitigazione appropriate.

Le mappe “storiche” del satellite Envisat

Anche se dal 2012 non è più operativo, le mappe dell’inquinamento globale fornite da Envisat – il più grande satellite al mondo per il monitoraggio ambientale, con i suoi 10 strumenti a bordo – non possono non essere menzionate, e sono ancora nella memoria di molti. Envisat è stato lanciato nel febbraio 2002 dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), di cui è stato “un fiore all’occhiello”.

Lo spettrometro di assorbimento per la mappatura atmosferica a scansione di immagini di cui era dotato era in grado di registrare lo spettro della luce solare che attraversa l’atmosfera. I risultati venivano poi attentamente filtrati per trovare “le impronte digitali” di assorbimento spettrale dei gas in traccia nell’aria. Il suo scopo era eseguire misurazioni globali di tali gas nella troposfera e nella stratosfera.

Nel 2004, dopo 18 mesi di osservazioni, Envisat ha fornito questa famosa mappa atmosferica globale dell’inquinamento da biossido di azoto (NO₂), che mostra in modo chiaro come le attività umane influiscano sulla qualità dell’aria. Gli ossidi di azoto, infatti, sono prodotti dalle emissioni delle centrali elettriche, dall’industria pesante e dal trasporto su strada, oltre che dalla combustione di biomasse e biogas.

Una famosa mappa, con relativi dettagli sull’Europa e sull’Italia, regalataci nel 2004 dal satellite Envisat dell’ESA. Essa mostra l’inquinamento dovuto al biossido di azoto. La Pianura Padana risulta già una delle tre aree più inquinate del pianeta. (fonte: ESA)

Dalla mappa si vede come la Pianura Padana fosse, già all’epoca, una delle tre zone con l’aria più inquinata del pianeta, insieme all’area intorno a Pechino ed a quella intorno a New York. Misurazioni localizzate in situ del biossido di azoto atmosferico vengono condotte in molti paesi industriali occidentali, tuttavia le fonti di dati terrestri sono in genere limitate al livello del terreno e geograficamente.

Il biossido di azoto è un gas prevalentemente di origine “umana” – ma anche i fulmini nell’aria creano ossidi di azoto, così come l’attività microbica nel suolo – la cui eccessiva esposizione causa danni ai polmoni e problemi respiratori, ed è spesso sottovalutato. Gioca un ruolo importante pure nella chimica dell’atmosfera, perché porta alla produzione di ozono nella troposfera, la parte più bassa dell’atmosfera, che si estende fino a un altitudine tra gli 8 ed i 16 chilometri.

Oltre alla prima mappa dell’inquinamento globale appena illustrata, altri importanti risultati ottenuti dal satellite Envisat nella sua lunga vita operativa sono stati: la più nitida mappa satellitare della Terra (2007); la mappa di copertura del suolo globale (2005 e 2010) utile per studiare gli effetti dei cambiamenti climatici e per la conservazione della biodiversità; la misurazione della perdita record di ozono sopra l’Artico (2011); l’osservazione della rapida disintegrazione dei ghiacci in Antartide (2012).

Le mappe della costellazione americana “A-Train”

L’Agenzia Spaziale degli Stati Uniti (NASA), per raccogliere dati ambientali – incorporabili in vari modelli, database e altri strumenti utilizzabili dai decisori politici e dai vari enti nazionali – con osservazioni globali complete del nostro pianeta, utilizza la costellazione “Afternoon” o “A-Train”, composta da cinque satelliti della NASA e uno giapponese che volano in prossimità l’uno dell’altro.

La costellazione “A-Train” della NASA.

Ognuno di questi satelliti – la cui risoluzione è molto più alta rispetto ai precedenti satelliti come il Global Ozone Monitoring Instrument 2 della NASA – ha i suoi obiettivi e offre il suo contributo unico per migliorare la nostra comprensione degli aspetti del clima della Terra e dell’inquinamento. Il vero vantaggio del volo della costellazione, tuttavia, è che i dati forniti dai vari satelliti sono sinergici e possono essere combinati insieme per consentire studi ancora più completi su scala globale.

I satelliti della NASA che fanno parte di questa costellazione includono Aqua (lanciato nel 2002), Aura (lanciato nel 2004), il secondo Orbiting Carbon Observatory (OCO-2, lanciato a luglio 2014), il Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) e il CloudSat (entrambi lanciati insieme nel 2006). Inoltre, della costellazione fa parte anche un satellite giapponese (lanciato nel 2012) la cui missione è denominata Global Change Observation Mission-Water (GCOM-W1).

I vari satelliti della costellazione “A-Train” della NASA.

Oltre alla tradizionale misurazione della temperatura e del vapore acqueo, questa costellazione consente il monitoraggio di una varietà di inquinanti atmosferici: ozono (O₃), monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO₂), ossido di azoto (NO), biossido di azoto (NO₂), acido nitrico (HNO₃), metano (CH₄), formaldeide (HCHO), etandiale (CHOCHO), biossido di zolfo (SO₂), acetonitrile (CH₃CN), acido formico  (HCOOH), metanolo (CH₃OH), ammoniaca (NH₃), acqua pesante (HDO), aerosol.

In particolare, il satellite Aura consente studi sulla distribuzione orizzontale e verticale dei principali inquinanti atmosferici e dei gas serra e su come tali distribuzioni evolvono e cambiano nel tempo. Invece, i tre spettrometri a reticolo del satellite Orbiting Carbon Observatory (OCO-2) permettono di realizzare delle osservazioni globali e spaziali della concentrazione di anidride carbonica (CO₂) integrata nella colonna, un gas serra critico per il riscaldamento globale (global warming).

Alcuni degli inquinanti atmosferici monitorati dal satellite Aura della NASA.

OCO-2 sta mappando l’anidride carbonica nell’atmosfera con dettagli senza precedenti: gli scienziati stanno imparando molto di più su come questo gas serra viene rilasciato bruciando combustibili fossili, ma anche su come funzionano le piante e su come la terra e gli oceani aspirano e rilasciano la CO₂. Circa il 25% delle emissioni umane viene assorbito dall’oceano e un altro 25% dalle piante. Oggi che pompiamo enormi quantità di questo gas nell’atmosfera è importante capire se tali processi continueranno.

Il satellite OCO-2 può essere utilizzato per tracciare la CO₂ su aree veramente piccole, come vulcani e città quali Los Angeles o Parigi. Pertanto, può essere usato non solo per comprendere meglio l’inquinamento della città, ma anche per prevedere quando eruttano i vulcani. L’anidride carbonica è più alta nelle aree urbane, dove ci sono più automobili e emissioni di centrali elettriche, che nelle aree suburbane ed è più alta in inverno – quando le piante assorbono meno CO₂ e più piante muoiono – che in estate.

 

Riferimenti bibliografici

• Dalla sentinella del pianeta la mappa dell’inquinamento in Europa, http://www.repubblica.it/scienze/2017/12/01/foto/dalla_sentinella_del_pianeta_la_mappa_dell_inquinamento_in_europa-182712011/1/#1
• Global air pollution map by Envisat, http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Envisat/Global_air_pollution_map_produced_by_Envisat_s_SCIAMACHY
• Envisat Mission milestones, http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Envisat/Mission_milestones
• Europe launches Sentinel 5P air pollution satellite, https://www.space.com/38457-europe-launches-sentinel-5p-air-pollution-satellite.html
• Sentinel 5P brings air pollution into focus, http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Sentinel-5P/Sentinel-5P_brings_air_pollution_into_focus
• Sentinel 5P sees nitrogen dioxide over Europe, http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2017/12/Sentinel-5P_sees_nitrogen_dioxide_over_Europe
• Immagini inviate da Sentinel 5P, http://www.esa.int/spaceinimages/Missions/Sentinel-5P
• A-Train della NASA, https://atrain.nasa.gov/intro.php
• A NASA satellite that monitors CO2 is revealing the inner workings of our planet, https://www.theverge.com/2017/10/12/16460014/nasa-oco-2-satellite-carbon-dioxide-earth-atmosphere-plants-ocean-climate-change