La rimozione di inquinanti atmosferici da parte della vegetazione urbana

La rimozione degli inquinanti atmosferici da parte delle superfici fogliari di alberi, arbusti e superifici inerbite rappresenta un importante servizio ecosistemico fornita dal verde urbano. La sua quantificazione consente di orientare le scelte del progettista del verde per sfruttarne le potenzialità. I modelli di simulazione consentono stime dettagliate, ma richiedono dati precisi sul clima, la stuttura del verde urbano, la qualità dell'aria. 

Il tema delle interazioni tra vegetazione urbana e inquinamento atmosferico è stato oggetto di numerosissime indagini negli ultimi tre decenni. L’attenzione si è focalizzata per un lungo periodo sui rischi a cui la vegetazione, come gli esseri umani, è esposta nelle aree con elevati livelli di concentrazione di alcuni inquinanti. Queste indagini hanno consentito di evidenziare come gli effetti sulla vegetazione siano diversi in base ai composti esaminati (l’ozono è considerato oggi l’inquinante fitotossico di maggiore significato), al tempo di esposizione, alle interazioni con altri fattori come il clima. Alcune specie vegetali sono risultate più sensibili, altre più resistenti. Sulla base dei risultati di questi studi stati introdotti nella normativa inerente gli inquinanti atmosferici limiti specifici orientati alla protezione della vegetazione (Economic Commission for Europe, 2004). Da tempo erano però in corso altre indagini relative alla deposizione inquinanti dell’aria sugli apparati fogliari. Questo fenomeno di intercettazione di composti diversi lasciava intravvedere una capacità della vegetazione di ridurre in questo modo le loro concentrazioni nell’aria ambiente.

Nel 1971 l’americano Hill pubblica lo studio “Vegetation: A Sink for Atmospheric Pollutants” (Hill, ‎1971) dando l’avvio a un nuovo filone di ricerche che si sono focalizzate sulla possibilità di utilizzare specie vegetali per ridurre l’inquinamento dell’aria nelle città, allora molto più grave che ai giorni nostri. Stabilito che il processo di rimozione è reale e verificabile restava da chiarire la possibilità di quantificarlo, considerando i diversi composti e le differenti specie vegetali. Hill individua i tre fattori chiave - la superficie fogliare, le concentrazioni degli inquinanti e la velocità di deposizione. La città di St. Louis, Missouri (USA,) è forse la prima al mondo, a metà degli anni settanta, a pianificare un ampio intervento di forestazione urbana finalizzato a mitigare l'inquinamento dell’aria con la messa a dimora di oltre 440000 alberi (EPA, 1976).

Trenta anni dopo il Servizio Forestale americano del Dipartimento per l'Agricoltura (US Forest Service) sviluppa la prima versione di un modello di simulazione dei processi di rimozione (UFORE – Urban Forest Effects) (Nowak and Crane, 2000). Il modello descrive i diversi meccanismi coinvolti e, in particolare,  l’intercettazione fisica del particolato atmosferico e l’assorbimento da parte dei tessuti fogliari degli inquinanti gassosi. La sua applicazione ha consentito a decine di città del mondo, negli anni a seguire, di effettuare stime affidabili di questi processi, orientare la realizzazione di nuove aree verdi, contribuire alle strategie di risanamento della qualità dell’aria. Oggi proprio il tema della qualità dell’aria è ai primi posti all’agenda ambientale di molte aree urbane del mondo e diverse di queste guardano con interesse all'apporto che può essere fornito dal verde urbano nel riportare le concentrazioni degli inquinanti dannosi per la salute umana a livelli di accettabilità.

Alla base di questa aspettativa vi è una consolidata conoscenza dei meccanismi che vedono al centro gli apparati fogliari, ma a cui contribuiscono anche le superfici di rami e fusti. Il modello UFORE, a partire da queste evidenze, descrive e simula i singoli processi consentendo di giungere ad una loro quantificazione. I dati di input fanno riferimento a

• la struttura del verde urbano,
• la meterologia,
• la qualità dell'aria.  

Con il termine di struttura del verde urbano si intende l'insieme delle caratteristiche della copertura arborea, degli arbusti e delle aree erbose presenti nelle città. Si tratta spesso di un insieme di informazioni che può essere fornito dai censimenti del verde urbano o che deve essere acquisito con un approccio campionario sufficientemente intenso da rappresentare l'area che si intende investigare. Per gli individui arborei i parametri di interesse sono

• la specie,
• il diametro del fusto a 1.30 m,
• l'altezza,
• l'inserzione della chioma,
• le dimensioni delle chiome,
• lo stato di vitalità
• la presenza di ostacoli (altri alberi, edifici).

Per gli arbusti deve essere rilevata la specie e alcuni dati sullo sviluppo dimensionale. A partire da queste informazioni, mediante funzioni allometriche, è possibile stimare la superficie fogliare dei singoli alberi e quella complessiva. La stima della rimozione di inquinanti richiede poi dati dettagliati (orari) di carattere meteorologico relativi al sito indagato e, in particolare,

• le precipitazioni,
• la temperatura dell'aria,
• l'umidità assoluta,
• la velocità del vento,
• la radiazione solare.

Infine, poiché la qualità dell'aria, è soggetta in una stessa città, a variazioni rilevanti nel corso dell'anno, è necessario fornire al modello i dati (orari) di centraline di monitoraggio che consentano di fornire un quadro rappresentativo dell'inquinamento dell'aria. I composti di interesse sono

• il biossido di azoto (NO₂),
• il biossido di zolfo (SO₂),
• il monossido di carbonio (CO),
• l'ozono (O₃),
• il particolato fine (PM10, PM2.5).

Il modello tiene conto delle caratteristiche delle diverse specie (dispone di un database di oltre 10 000 specie che copre tutte quelle che ragionevolmente possono essere riscontrate in Italia) in quanto la capacità di rimozione tra di esse può variare in modo molto significativo (Saebo et al., 2012). Il modello considera inoltre la presenza di cere e peli sulle superfici fogliari, diverse per ogni specie, che possono rappresentare un elemento che favorisce la deposizione di particolato.

Figura 1. Peli e cere (da Kim, 2012) sulle superfici fogliarie sono in grado di intercettare il particolato atmosferico

Il modello UFORE, con il modulo D, determina il flusso dell'inquinante F (in g·m^2·s^-1) come il prodotto della velocità di deposizione Vd (in µg·m^-2) per la concentrazione dell'inquinante C (in µg·m^-3). La velocità di deposizione Vd è calcolata come l'inverso della somma della resistenza aerodinamica (Ra), della resistenza allo strato limite quasi laminare (Rb) e dalla resistenza della chioma (Rc).  

Vd = (Ra + Rb + Rc)⁻¹

Per la stima di Ra e Rb vengono utilizzati i dati meteorologici dell’area di interesse. La resistenza aerodinamica Ra è calcolata come

Ra =  u(z)u*^-2

dove  u(z) è la velocità media all’altezza z (in m s^-1) and u* è la velocità di frizione (in m s^-1) così definita

u*= (ku(z-d))[ln(1+x)/2 z₀^-1) - ψ_m ((z-d)L-1)+ ψ_m(Z₀L^-1)]

dove k è la costante di Karman, d è lo scostamento in altezza, z₀ lunghezza di ruvidità,  ψ_m funzione di stabilità e L la lunghezza di Monin-Obukhov. Quest’ultimo parametro assume valori diversi in relazione alle condizioni di stabilità atmosferica, condizione che può essere descritta mediante le classi di stabilità di Paquill.

Quando l’atmosfera è stabile (L >0)

u*= C_DN  u{0.5+0.5[1-(2u₀/CDN ^0.5 u)²]^0.5}

dove C_DN = k (ln (z/z_o))^-1 

         u_o² = (4.7 z g θ*) T^-1

         g = 9.81 m s^-2

         θ* = 0.09(1-0.5 N²).

         T = temperatura dell'aria (in K^o ),

         N = la frazione di coperura nuvolosa opaca.

Quando l’atmosfera è instabile (L<0)

 ψ_m = 2ln[0.5(1+X )]ln[0.5(1+X² )-2tan^-1(X )0.5π

dove X = (1 – 28 z L^-1)^0.25

La resistenza Rb è 

Rb = 2(Sc)^2/3 (Pr)^2/3 (k u*)^-1

dove k = costante di von Karman

Sc = numero di Schmidt

Pr = numero di Prandtl.

La resistenza della chioma Rc per O₃, SO₂, e NO₂ è calcolata mediante un modello ibrido di tipo "big leaf" e di deposizione a chioma multilivello. I dati di input sono la radiazione solare fotositeticamente attiva (PAR), la temperatura e l’umidità dell’aria, la velocità del vento, la concentrazione di CO₂. Essa si compone della resistenza stomatica r_s, la resistenza del mesofillo r_m e la resistenza cuticolare r_t:

1/Rc = 1/(rs + rm)+1/rt

La rimozione del particolato è un fenomeno fisico e la sua determinazione si basa su un valore fisso di velocità di deposizione per il periodo di foliazone, valore che viene ridotto per il resto dell’anno). I valori di rimozione del particolato, infine, tengono conto di un fattore di risollevamento fissato, prudenzialmente, al 50%.

Il modello consente inoltre di quantificare la rimozione di CO₂ e altri moduli permettono di analizzare altri servizi ecosistemici forniti dal verde urbano. Il modello è presnetato in Nowak and Daniel E. Crane (2000) edescritto in modo dettagliato sul sito di i-Tree (https://www.itreetools.org/documents/53/UFORE%20Methods.pdf).

Figura 1. Struttura del modello UFORE, oggi aggiornato e ampliato nella suite iTree

Il modello UFORE, come accennato, ha avuto ampia applicazione: negli Stati Uniti è stato impiegato dalla città di Chicago, Baltimora, New York  e altre, e poi Santiago del Cile, Pechino, Madrid, Strasburgo, Perth e altre. In Italia il suo primo impiego risale al 2007 con uno studio sul città di Forlì (Buffoni et al., 2007) a cui sono seguite applicazioni a Bolzano (Russo et al., 2014), Firenze (Paoletti, 2010; Bottalico et al., 2016) e Roma (Manes et al., 2014; Silli et al., 2015). Il modello è stato impiegato per uno studio dimostrativo su una porzione della città di Milano (Buffoni & Siena, 2007) e, più recentemente è stata condotta una indagine preliminare sul verde urbano pubblico di Milano (Patti, 2018).

UFORE può essere impiegato a livello di area urbana, ma anche per stimare la rimozione da parte di inquinanti da parte di parchi e giardini, anche se i dati che richiede lo rendono piuttosto  mpegnativo per queste applicazioni. Oggi il modello americano UFORE, rinnovato e integrato da altri moduli  nella suite i-Tree, resta il riferimento principale in questo campo anche se vi sono state osservazioni critiche per la scelta di alcuni parametri che lo renderebbero eccessivamente conservativo (Freer-Smith P.H. et al., 2005).

Figura  2. Rimozione di PM10 da parte degli alberi presenti ai Giardini pubblici di Porta Venezia, Milano (Buffoni e Siena, 2007)

 Figura 3. Rimozione di biossido di azoto da parte degli alberi ai Giardini pubblici di Porta Venezia, Milano (Buffoni e Siena, 2007)

Le informazioni raccolte, grazie alle indagini sulla rimozione di inquinanti da parte della vegetazione urbana sono fondamentali per i pianificatori e per gli stakeholders per avviare programmi di sviluppo del verde urbano che necessariamente devono avere un ampio respiro temporale. I dati che derivano dall’applicazione di questi modelli consentono di

• quantificare l’attuale rimozione dei singoli inquinanti da parte del verde urbano,
• stimare la rimozione di inquinati da parte di nuovi interventi sul verde urbano a diversi intervalli temporali,
• individuare le specie con maggiore efficacia anche in relazione alle loro caratteristiche e velocità di accrescimento,
• comprendere l’ottimale distribuzione degli individui arborei, la mescolanza tra specie, il tipo di formazione,
• applicare i dati ad un modello di dispersione per valutarne il contributo in termini di qualità dell’aria,
• assistere i pianificatori del verde e i progettisti per realizzare interventi efficaci in ambito pubblico e privato,
• disporre di dati reali con cui dare supporto a campagne di sensibilizzazione e informazione. 

L'applicazione del modello permette di sviluppare una mappatura delle alberature associando ai singoli individui arborei i valori di rimozione degli inquinanti considerati. Questo consente di fornire un risultato sintetico di grande efficacia e di evidenziare le aree dove i processi di rimozione sono più diffusi e rilevanti.

Figura 4. Rimozione di inquinanti atmosferici da parte della vegetazione urbana della città di Forlì. Dettaglio: Parco delle Resistenza

Oggi è disponibile un’ampia esperienza sulla quale sviluppare nuove proposte di intervento sul verde, più realistiche e chiare (Janhäll S., 2015). I risultati delle indagini sul patrimonio arboreo di molte aree urbane hanno evidenziato che, sebbene i quantitativi di inquinanti rimossi da alberi e arbusti siano in termini assoluti sicuramente rilevanti, l’impatto sulle concentrazioni nell’aria ambiente è in genere limitato a pochi punti percentuali (Nowak J. et al., 2006). Questo deve indurre ad intervenire, e in larga parte così è già stato, su superfici ampie, e a considerare, laddove è possibile, di introdurre nuove aree verdi in tutte le operazioni di trasformazione del territorio. Va ricordato che i risultati delle stime di rimozione, essendo dipendenti da diversi fattori ambientali – clima e qualità dell’aria innanzitutto – sono in qualche misura sito-specifici. I confronti tra città tra loro lontane devono dunque tenere conto non solo delle diverse specie presenti, ma anche, appunto, delle diverse condizioni in cui vivono.

Il modello, come già accennato, può essere utilizzato anche per stime relative a singole piante. In questo senso, un dato di interesse è quello relativo ad alberi monumentali o comunque di grandi dimensioni. A Milano un ben noto platano monumentale (Platanus acerifolia (Aiton) Willd.) nei Giardini pubblici di Porta Venezia, Milano, (oggi Giardini Montanelli) mostra una circonferenza di 830 cm e un’altezza di 24 m. La superficie fogliare stimata dal modello è di 1572 m². La rimozione annua di PM10 calcolata è di 1795 g.

Figura 5. Esemplare monumentale di platano presso i Giardini pubblici di Porta Venezia (Giardini Montanelli), Milano

A breve distanza altri individui arborei, con diametro del fusto compreso tra 70 e 180 cm - platani, bagolari e un acero di monte - sono in grado di rimuovere annualmente oltre 1000g di PM10. Questi dati assumono un particolare significato nell’ambito di campagne di comunicazione e per rafforzare la consapevolezza dell’importanza del verde urbano quale strumento per contribuire a mitigare l’inquinamento nelle città.

Conclusioni

La rimozione di inquinanti atmosferici da parte del verde urbano rapresenta uno dei più interssanti servizi ecosistemici. Alberi, arbusti e superifici erbose intecettano inquinanti dannosi per la salute umana trattenendosli sulle superfici fogliari o incorporandoli nei loro tessuti. Il fenomeno è stato ampiamanete approfondito e diversi approcci consentono di quantificarlo. Il modello americano UFORE rappresenta uno degli strumenti più utilizzati al mondo per giungere ad una stima della rimozione di particolato fine e inquinanti gassosi dall'aria ambiente. Il contributo dato dalla vegetazione non è elevato, ma nell'ambito di una strategia di risanamento della qualità dell'aria tutte le opzioni devono essere considerate e indubbiamente un aumento delle aree verdi presenta poche o nessuna controindicazione considerati i numerosi servizi che esse forniscono. Per questo motivo numerose città hanno avviato significativi interventi in questo senso. La mitigazione prodotta dalla vegetazione deve essere chiarmanete quantificata, secondo metodi riconosciuti e consolidati, al fine di saperne trarre i maggiori benefici e sfruttarne le indicazioni che ne derivano.

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 Armando Buffoni