OASI

La stazione di monitoraggio del Plateau Rosa

La stazione

La stazione RSE di monitoraggio dei gas serra del Plateau Rosa è operativa sin dagli anni ’90 ed è ospitata nel laboratorio del CNR “Testa Grigia” gestito dal Dipartimento Scienze del sistema Terra e Tecnologie per l’Ambiente (Direttore: Dott. Fabio Trincardi).

Plateau Foto Stazione

Finalità

Il monitoraggio dei gas serra ha principalmente lo scopo di tenere sotto controllo le concentrazioni di quei gas che assumono un ruolo determinante nell’equilibrio radiativo del nostro pianeta provocando il cosiddetto effetto serra. L’effetto serra è un fenomeno naturale prodotto dai processi combinati di assorbimento ed emissione della radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre e dall’atmosfera. Questi processi sono principalmente dovuti ai gas atmosferici che presentano forti bande di assorbimento per le lunghezze d’onda poste nella finestra da 5 a 20 µm. I gas responsabili dell’effetto serra sono: il vapore acqueo (H2O), l’anidride carbonica (CO2), il metano (CH4), il protossido di azoto (N2O), l’ozono (O3), i clorofluorocarburi (CFC) e i loro sostituti (idroclorofluorocarburi HCFC e idrofluorocarburi HFC), i perfluorocarburi (PFC) e l’esafluoruro di zolfo (SF6). Questi gas serra possiedono, infatti, bande di assorbimento di tipo vibro-rotazionale che permettono di assorbire, e successivamente emettere, la radiazione infrarossa creando una sorta di filtro alla fuoriuscita della radiazione emessa dalla Terra e dalla sua atmosfera. Questo fenomeno naturale di intrappolamento della radiazione infrarossa prende il nome di “effetto serra”.

E’, pertanto, risaputo quali sono i gas responsabili dell’effetto serra ed è altrettanto noto che la loro concentrazione in atmosfera, soprattutto di quelli antropogenici, risulta in lento ma continuo aumento a partire dall’epoca preindustriale. A tal riguardo basti pensare alle emissioni di CO2 ascrivibili al Sistema Elettrico che rappresentano circa un quarto dell’emissioni nazionali. Tra le stazioni operative nella rete internazionale vi sono le tre stazioni italiane di Plateau Rosa RSE; Lampedusa (ENEA) e Monte Cimone (A.M., CNR-ISAC, Università di Urbino). La stazione del Plateau Rosa è in funzione sin dagli anni ’90, ospitata nel laboratorio Testa Grigia del CNR. Anche la stazione del RSE, riscontra un lento e sistematico aumento dei valori di concentrazione di questo importante gas serra. Il trend di aumento, su circa 25 anni di misure in continuo (dal 1993 al 2018), corrisponde a 2.054 ppm all’anno grafico.

La stagionalità che si evince è dovuta ai processi di fotosintesi, particolarmente attivi a partire dall’inizio della primavera sino alla fine dell’estate, che producono una modulazione tipica con valori minimi in estate e massimi all’inizio della primavera. L’ampiezza del ciclo aumenta al crescere della latitudine, soprattutto nell’emisfero boreale, mentre assume valori minimi nell’emisfero australe a causa della minor presenza di sorgenti antropiche e della presenza degli oceani. A seguito di misure fatte sulle piccole quantità d’aria intrappolate nei ghiacciai Antartici si è stabilito che gli attuali livelli di concentrazione sono i più elevati degli ultimi 800.000 anni.

In sostanza il clima è il risultato dello stato di equilibrio radiativo tra il flusso totale di energia entrante nel nostro pianeta, che è quasi totalmente rappresentato dall’energia solare (soprattutto radiazione visibile), ed il flusso totale di energia uscente dal nostro pianeta, rappresentato dalla radiazione solare riflessa verso lo spazio esterno e dalla radiazione emessa dalla superficie terrestre e dall’atmosfera (soprattutto radiazione infrarossa). La variazione della composizione dell’atmosfera, con l’aumento dei gas serra, produce una maggiore capacità di intrappolare la radiazione (infrarossa) emessa dalla superficie terrestre e dall’atmosfera, con un aumento, dunque, dell’effetto serra.

Il monitoraggio regolare o continuo dei gas serra ha il doppio scopo di fornire dati per lo studio del ciclo atmosferico, e del bilancio complessivo, cui sono soggetti questi gas sia a livello stagionale che annuale e di documentare il loro graduale aumento determinato dalle attività umane. Dalla conoscenza dei cicli di trasformazione e delle attuali concentrazioni in aria è possibile fare previsioni sulle future concentrazioni atmosferiche di questi gas in funzione di vari scenari di emissione antropica e naturale. Pertanto lo scopo finale del monitoraggio è anche quello di rendere possibile una valutazione delle conseguenze ambientali a larga scala e a lungo termine prodotte dall’attività antropica.
La previsione delle concentrazioni future di un gas serra viene fatta mediante dei modelli che simulano i vari processi di emissione e rimozione a cui è soggetto. Il principale test dell’accuratezza di un tale modello è rappresentato dalla sua capacità di riprodurre le caratteristiche della distribuzione atmosferica del gas (variazioni latitudinali della concentrazione media, dipendenza latitudinale delle variazioni stagionali, se queste esistono, l’incremento globale annuo, e anche la dipendenza temporale della concentrazione in una particolare località) che sono state osservate attraverso il monitoraggio. Da queste considerazioni risulta evidente l’importanza di un sistema di monitoraggio globale che possa fornire informazioni precise ed accurate sulla distribuzione delle concentrazioni atmosferiche dei vari gas serra con una sempre maggiore risoluzione spaziale e continuità temporale.

Un sistema di monitoraggio di tali dimensioni può essere ottenuto soltanto grazie alla collaborazione internazionale di diverse organizzazioni di ricerca. Attualmente, infatti, sono sempre più i laboratori nel mondo che si occupano di monitorare i diversi gas serra, dedicando molta attenzione alla metodologia delle misure e alle procedure di taratura della strumentazione. L’obiettivo è quello di raccogliere quante più misure possibili provenienti da differenti laboratori per costituire un database globale disponibile ed affidabile per la comunità scientifica, ponendo parecchia attenzione in merito alla comparabilità dei dati eseguendo diversi test di interconfronto tra i vari laboratori della rete di misura internazionale.

Caratteristiche della stazione

Il Plateau Rosa è una piattaforma a 3480 m sul livello del mare (45° 56’ 7.3” N e 7° 42’ 31.8” E) situata sulle Alpi italiane della Valle d’Aosta
Visita virtuale al laboratorio per il monitoraggio dei gas serra del Plateau Rosa di fronte al monte Cervino, cima tra le più alte delle Alpi occidentali.

La cima della Testa Grigia è una sommità di sfasciumi situata sulla larga cresta a S del colle del Teodulo. Essa è costituita da scisti grigiastri, da cui il nome Testa Grigia. Vi si trova il rifugio Guide del Cervino oltre al posto di polizia di frontiera e doganale italiano e svizzero, la stazione meteorologica dell’Aeronautica Militare e il Laboratorio, denominato per analogia, Testa Grigia del CNR in cui RSE, ha installato la strumentazione per il monitoraggio dei gas serra e delle variabili meteorologiche.

La scelta del Plateau Rosa per l’insediamento di una stazione di monitoraggio atmosferico dei gas serra è legata al fatto che questo sito è generalmente posto al di sopra dello strato di rimescolamento atmosferico, risulta distante dai grandi insediamenti umani, industriali e dalle grandi vie di comunicazione, e, con particolare riferimento alla CO2, nelle aree prossime ad esso è quasi nulla l’attività vegetativa.

Si precisa che una stazione è definita idonea per la misura delle concentrazioni atmosferiche di fondo naturale (background) quando sono poco frequenti e ben rilevabili le situazioni che non rappresentano le condizioni di fondo. Queste ultime sono sostanzialmente ascrivibili al trasporto di masse d’aria contaminata da aree lontane dalla stazione di misura oppure legate alla presenza di sorgenti occasionali di origine locale.

Sistemi di misura

La stazione è attrezzata con strumentazione chimica (analizzatori per la misura dei gas serra), con pannelli di gestione delle tarature automatiche e linee di prelievo per la raccolta di campioni d’aria, e strumentazione meteorologica (stazione meteorologica completa ad eccezione del pluviometro). L’acquisizione dei dati di monitoraggio, la gestione dei pannelli di taratura automatica e la registrazione dei segnali di allarme viene effettuata mediante un sistema di acquisizione dei dati che trasmette, con frequenza giornaliera, tutti i dati presso la sede centrale di RSE. L’attività di monitoraggio è consistita inizialmente nella misurazione per evento, mediante il prelievo in fiasche (flask) pretrattate di campioni d’aria che venivano poi analizzati in laboratorio, ed in seguito , sino ad oggi, in continuo mediante analizzatori specifici. A corredo delle misure dei gas serra sono tuttora eseguite misurazioni delle principali variabili meteorologiche. In passato, allo scopo di facilitare l’identificazione delle condizioni attribuibili al fondo naturale, venivano effettuate anche misure di composti gassosi inquinanti tradizionali (SO2, NOx, e THC – idrocarburi totali) che sono state, oramai, sospese da alcuni anni.

  • Il sistema di campionamento e deumidificazione criogenico

    L’aria ambiente aspirata tramite la prima delle 2 pompe installate nel laboratorio, viene deumidificata con l’ausilio di un sistema criogenico tenuto a circa -60 °C.
    Questa temperatura riduce sostanzialmente, oppure elimina del tutto, la presenza di vapore acqueo nel campione d’aria da analizzare eliminando il pericolo di una sua possibile interferenza sulle misure, in particolare, della CO2.
    Il circuito criogenico è costituito da tre stadi identici. Non essendo però dotato di un circuito di sbrinamento automatico, con l’andare del tempo, l’umidità intrappolata finisce con l’ostruire il primo stadio interessato.
    Un sensore di flusso rileva tale anomalia e genera un segnale logico che viene utilizzato per azionare le valvole per selezionare lo stadio successivo.
    Ciascuno stadio è caratterizzato da un tempo medio di utilizzo di circa una settimana, per cui l’operatività massima del sistema risulta essere di circa tre settimane.
    Tale stima è ovviamente approssimativa in quanto la “durata” reale dipende dalla temperatura e dall’umidità atmosferica presente nei campioni d’aria analizzati in continuo. In inverno è possibile intervenire per ripristinare le trappole criogeniche anche una volta al mese, in estate, se le temperature superano lo zero, è possibile il blocco dei tre stadi anche dopo soli 10/15 giorni.

Il frigorifero con le trappole criogeniche
Figura 1 – Sistema criogenico per la disidratazione del gas-campione
 
  • La misura della CO2

    La misura della CO2 viene svolta utilizzando due strumenti ad infrarosso non dispersivo a cella compensata, un SIEMENS Ultramat 5E e Ultramat 6E con campo di misura tra 360 e 420 ppm, entrambi visualizzati nella figura 2.
    Una valvola a 3 vie (EV7) seleziona il gas da mandare allo strumento di misura scegliendo tra quello proveniente dal sistema criogenico o quello che arriva da un manifold di valvole cui sono collegate le varie miscele di taratura utilizzate.
    Il gas selezionato viene poi mandato ad un mass flow controller (MKS) con fondo scala di 1000 sccm e, quindi, allo strumento.
    L’utilizzo del mass flow controller serve sia per compensare le variazioni di pressione del campione conservando il flusso di prova scelto, sia per fornire la relativa misura, che viene acquisita dal sistema di gestione e di acquisizione dei dati.
    Anche il gas detto di “riferimento”, che viene addotto agli strumenti di misura della CO2 è monitorato mediante l’utilizzo di un mass flow controller per stabilizzare il flusso ed acquisirne il valore.

Gli analizzatori per la misura della concentrazione atmosferica dell'anidride carbonica
Figura 2 – Analizzatori di Anidride Carbonica

  • La misura del CH4

    Il circuito pneumatico per la misura del CH4 è composto da una valvola a 3 vie che collega il mass flow controller utilizzato per regolare il flusso di gas alla linea di prelievo esterna ad un manifold di valvole cui sono collegati gli standard utilizzati per le tarature.
    Lo strumento per la misura del metano è un gas-cromatografo con  rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID) modello Venus della NIRA con campo di misura: 0 – 5 ppm (figura 3).

L'analizzatore per la misura della concentrazione atmosferica del metano
Figura 3 – Gas Cromatografo per la misura del Metano
 
  • La misura dell’O3

    La misura di Ozono viene eseguita mediante un analizzatore ad assorbimento UV modello THERMO 49i con calibratore interno, campo di misura 0 – 500 ppb.
    L’analizzatore ad assorbimento UV mod. 49i basa il suo funzionamento sull’assorbimento da parte delle molecole di Ozono,  di radiazioni UV di lunghezza d’onda pari a 254 nm.
    La conseguente attenuazione della intensità della radiazione UV generata da una lampada all’interno dell’analizzatore permette, sulla base della legge di Lambert – Beer, di calcolare la concentrazione di Ozono presente nel campione.
    Il fenomeno di attenuazione del fascio UV viene monitorato all’interno di una cella a percorso ottico fisso.
    Tale principio di funzionamento richiede una condizione di riferimento, l’analizzatore mod. 49i incorpora infatti uno “scrubber” capace di rimuovere tutto l’Opresente nel campione d’aria e fornire, quindi, tale riferimento grazie ad una seconda cella di misura in cui è monitorata l’intensità UV di riferimento.
    Infine, un filtro adattivo di segnali consente di ottenere sia una veloce risposta in caso di improvvise e significative fluttuazioni delle concentrazioni di Ozono, sia valori stabili in situazioni di concentrazioni poco variabili.
    In Laboratorio è presente anche un altro strumento per la misura dell’Ozono, un analizzatore ad assorbimento UV modello O3 41M Environnement, campo di misura 0 – 500 ppb.
    Questo strumento è comunque mantenuto in funzione (anche se obsoleto) per affiancarlo all’altro analizzatore col solo fine di “strumento di riferimento qualitativo” in modo da poter individuare eventuali anomalie di funzionamento.

Il rack per l'analisi dell'Ozono
Figura 4 – Analizzatori per la misura dell’ozono

Strumentazione meteorologica

La strumentazione attualmente installata al Plateau Rosa e che soddisfa i requisiti ICOS (Integrated Carbon Observation System) è la seguente:

  1. Anemometro GILL WINDOBSERVER75, con riscaldamento aumentato (a partire dal 01/09/2017).

  2. Misuratore di umidità relativa e temperatura atmosferica ROTRONICS con sensore MP102H + elemento trasmettitore Cat. HCS-S3 con schermo a ventilazione naturale (a partire dal 05/12/2017).

  3. Misuratore di pressione atmosferica YOUNG 61302 con schermo antivento per il posizionamento all’esterno (a partire dal 01/09/2017).

Per questa strumentazione è in atto la sovrapposizione delle misure con i sensori in uso in precedenza.

Anemometro Sonico
I sensori meteorologici
Sensori Metereologici
L'anemometro sonico

Misure di taratura

La necessità di fornire dati da poter mettere a confronto con quelli rilevati nelle altre stazioni di monitoraggio della rete di monitoraggio internazionale e di poter valutare, con accuratezza e precisione, le variazioni della concentrazione del fondo naturale richiede una gestione particolarmente attenta delle procedure di taratura degli analizzatori.

L’analizzatore della CO2 esegue una misura ogni 5” ed il programma di acquisizione effettua e registra il valore medio orario (sino al 2007 i valori medi erano acquisiti su base semioraria), le deviazione standard associata alla media ed il numero di misure eseguite nell’ora.

Ogni sei ore il monitoraggio in continuo è interrotto al fine di eseguire le misure delle due miscele di gas a concentrazione nota (standard terziari o di lavoro denominati A e B), i cui valori sono scelti appositamente esterni a quelli misurati al Plateau Rosa (in particolare: lo standard A è posto al valore inferiore e lo standard B al valore superiore delle concentrazioni misurate) che usualmente sono rappresentativi delle concentrazioni del fondo naturale.

Queste misure di miscele a titolo noto, denominate “tarature terziarie”, servono sia per correggere le derive strumentali (il cosiddetto “drift”), sia per riferire i valori delle concentrazioni acquisite alla scala internazionale della NOAA

Ogni 72 ore, sono anche misurate le miscele secondarie (denominate standard C, D, E, F) che permettono di verificare la stabilità degli standard terziari e riferire, con sistematicità, alla scala NOAA tutte le miscele terziarie di volta in volta utilizzate.

In sostanza le quattro miscele standard secondarie permettono di riferire le miscele di gas terziarie A e B su una retta di regressione lineare costruita sui quattro valori degli standard secondari (C, D, E, F).

L’analisi avviene con una procedura la cui affidabilità è stata provata nei vari anni di attività della stazione e che si ispirò, sostanzialmente, a quanto riportato in Khomir et al. (1987). La procedura prevede la misura degli standard a partire dal valore più basso al più alto e poi a scendere fino a tornare al più basso, quindi la sequenza di misura operativa tipo è la seguente: C, D, A, E, B, F, B, E, A, D, C.

Gli standard primari rappresentano la scala di misura internazionale di riferimento che attualmente, per i laboratori e stazioni di monitoraggio aggiornati agli ultimi confronti effettuati, è denominata WMO X2007. Data la loro importanza e peculiarità, al fine anche di evitarne il consumo e l’eventuale degrado, il loro uso è limitato soltanto alle misure di riferibilità delle restanti miscele di taratura (secondarie e terziarie) eseguite, in genere, ogni 6 mesi circa.

Le misure di interconfronto eseguite in passato per la CO2 ed il CH4 nell’ambito dei WMO Round Robin Test della rete mondiale del GAW (Global Atmospheric Watch) e dei progetti europei AEROCARB e CARBOEUROPE, a cui RSE ha partecipato con le proprie misure, hanno confermato la qualità delle misure eseguite e la bontà delle procedure di calibrazione ad oggi adottate. Il monitoraggio del CH4 viene effettuato riferendo le misure, ogni 6 ore, a due standard di lavoro a sua volta riferiti alla scala di misura internazionale della NOAA, attualmente denominata NOAA04. La riferibilità degli standard di lavoro ai primari viene eseguita, una tantum, direttamente in situ.

La misura dell’O3 viene riferita, dagli operatori in situ, al calibratore ENVIRONICS SERIES 100 preventivamente sottoposto a verifica impiegando un analizzatore di ozono mod. ENVIRONNEMENT 41 M, tarato nel campo 20-500 ppb mediante il calibratore primario mod. THERMO ELECTRON 49 PS riferibile al campione nazionale dell’INRIM di Torino.

Elaborazione dati

Sebbene l’operatività della stazione di misura sia del tutto automatizzata generando un archivio completo di tutte le misure e dei vari segnali di verifica del corretto funzionamento degli apparati di misura, resta comunque una parte di lavoro off-line, eseguito nella sede di Milano, per la creazione degli archivi di lavoro. Un primo archivio di lavoro riguarda tutti i dati validati a seguito dei controlli di qualità e, in particolare, riferiti e corretti per la scala di taratura internazionale (scala di riferimento WMO X2007 per la CO2 e NOAA2004 per il CH4 ). Un secondo archivio, generato dal primo, riguarda i dati selezionati quali rappresentativi del fondo naturale. A scopo esemplificativo si riportano, di seguito, tre figure allo scopo di chiarire il significato delle diverse fasi della procedura applicata per costruire il primo archivio di dati.

L’esempio si riferisce ai dati di misura della CO2 raccolti nel corso del 2007.

In particolare, in alto a sinistra è mostrato l’andamento delle misure grezze (in cui facilmente si evincono i periodi in cui la trappola criogenica per l’essiccazione del campione d’aria non funziona correttamente facendo produrre all’analizzatore misure errate che si identificano nel grafico nei valori in caduta), in alto a destra è osservabile l’andamento delle misure preselezionate (che rappresentano i dati depurati da tutte le anomalie riscontrate sull’intero sistema di misura), e infine, nel grafico in basso è mostrato l’andamento delle misure validate e riferite alla scala di misura della rete internazionale.

 Nella successiva figura si mostrano, invece, i dati identificati come rappresentativi del fondo naturale (in blu) e quelli ascrivibili a situazioni di inquinamento locale o da trasporto a scala regionale (in ciano). I dati si riferiscono alle misure semiorarie della CO2 eseguite nel corso del 2007.

Quest’ultimo è un esempio di applicazione dello schema di selezione dei dati di fondo a seguito dell’applicazione del criterio denominato BaDS (Background Data Selection). Nel riquadro in basso a sinistra è invece riportato l’andamento dei valori mensili di fondo ottenuti utilizzando anche i precedenti metodi di selezione adottati in passato. L’applicazione del criterio BaDS ai dati del passato (1997) ha permesso, pertanto, di confrontare le diverse metodologie di selezione dei dati realizzate nel corso dei vari anni di attività della stazione di monitoraggio del Plateau Rosa. Le differenze sulle medie mensili di fondo sono, in genere, minime. La maggiore qualità ed efficienza della procedura BaDS nella selezione dei dati rappresentativi del fondo naturale si riscontra, soprattutto, nei valori semiorari.

Trasmissione dei dati

I dati acquisiti presso la stazione vengono scaricati automaticamente ogni notte presso la sala server di RSE, inoltre, allo scopo di mantenere sotto osservazione il regolare ed il corretto funzionamento della stazione, è stato sviluppato da RSE, attraverso messaggistica SMS, un programma di trasmissione delle misure. Tramite un modem GSM, il sistema invia ad una lista di numeri telefonici predefinita, un messaggio dove vengono riportati (a scelta) alcuni dei valori misurati. Gli orari di trasmissione sono personalizzabili. In caso di mancanza dell’energia elettrica, evento purtroppo frequente soprattutto nel periodo estivo, il programma registra tale evento e lo notifica ai destinatari non appena la stazione riprende il normale funzionamento.