I mezzi di trasporto che utilizziamo quotidianamente, per lo più alimentati mediante combustibili fossili, sono tra le principali fonti di inquinamento atmosferico, oltre a contribuire parzialmente all’emissione dei gas serra (abbreviati solitamente come GHG – Greenhouse Gases), che hanno un impatto – a medio e lungo termine – sul clima. Nel precedente articolo abbiamo analizzato gli aspetti economici dell’utilizzo dei carburanti derivanti dal petrolio, divenuti di estrema attualità soprattutto nell’ultimo anno; in questa attività proponiamo invece una serie di dati per riflettere sulle implicazioni ambientali e, di riflesso, sanitarie, dell’uso dei combustibili fossili nel settore della mobilità.
L’elenco degli elementi nocivi per la salute umana che provengono dai gas di scarico degli autoveicoli è piuttosto lungo; una sintesi è riportata in tabella 1, in cui sono elencati gli inquinanti1 principali prodotti dagli autoveicoli, con i relativi limiti di concentrazione nell’aria fissati dal decreto legislativo n. $155$ del $13$ agosto $2010$ (si veda in particolare l’allegato XI), che recepisce la direttiva europea n. $50$/$2008$ del $21$ maggio $2008$.
Tabella 1 – Principali inquinanti dei gas di scarico dei mezzi di trasporto
| Inquinante | Concentrazione limite | Sorgenti principali | Effetti |
| Monossido di carbonio (CO) | $10$ mg/m$^{3}$ | Impianti di riscaldamento, mezzi di trasporto | Effetti tossicologici di varia entità (dalla cefalea alla perdita di coscienza, fino a coma/morte) |
| Ossidi di azoto (NOx), in particolare NO$_{2}$ | $40$ μg/m$^{3}$ (media annuale) | Impianti di riscaldamento, mezzi di trasporto | Piogge acide, formazione dell’ozono, effetti indiretti sulla salute umana (alimentazione) e diretti (disfunzionalità respiratoria) |
| Ozono2 (O$_{3}$) | $120$ μg/m$^{3}$ (media giornaliera) | Inquinante secondario (precursori ossidi di azoto e composti organici volatili) | Agente irritante per le mucose oculari e le prime vie aeree; patologie a carico dell’apparato respiratorio |
| Biossido di zolfo | $125$ μg/m$^{3}$ (media giornaliera) | Mezzi di trasporto via mare | Piogge acide |
| Benzene | $5$ μg/m$^{3}$ (media annuale) | Gas di scarico dei veicoli a motore | Insorgenza di tumori |
| Particolato PM$10$ | $50$ μg/m$^{3}$ (media giornaliera) $40$ μg/m$^{3}$ (media annuale) | Mezzi di trasporto, impianti di riscaldamento, attività industriali | Patologie a livello polmonare |
| Particolato PM$2,5$ | $25$ μg/m$^{3}$ (media annuale) | Mezzi di trasporto, impianti di riscaldamento, attività industriali | Patologie a livello polmonare |
| Piombo3 (Pb)Arsenico (As)Cadmio (Cd)Nichel (Ni) | $0,5$ μg/m$^{3}$ $6$ ng/m$^{3}$ $5$ ng/m$^{3}$ $20$ ng/m$^{3}$ | Attività minerarie, fonderie, raffinerie, inceneritori di rifiuti, mezzi di trasporto | Effetti sull’apparato respiratorio, sui reni, sul sistema immunitario; As, Ni e Cd sono cancerogeni. |
I gas serra sono costituiti invece prioritariamente da CO$_{2}$ e, pur non avendo conseguenze dirette sulla salute umana, giocano un ruolo importante sui cambiamenti climatici, come sottolineato all’ultima Conferenza sul Clima a Dubai (Cop$28$, $30$ novembre – $12$ dicembre $2023$) con una giornata dedicata4.
In questa attività, partendo dall’analisi degli ultimi rapporti nazionali disponibili, proponiamo un compito di realtà per riflettere sull’impatto ambientale dei carburanti fossili, in termini di emissioni di gas serra e di inquinanti e introdurremo qualche spunto sul significato e la costruzione di un modello matematico.
Parte A: quanta CO$_{2}$ emette un’automobile? Un esempio di compito di realtà
La CO$_{2}$ è il risultato della combustione del carbonio contenuto nella benzina e nel gasolio sotto forma di idrocarburi: durante il processo il carbonio si combina con l’ossigeno dell’aria e forma appunto anidride carbonica (mentre l’idrogeno forma essenzialmente acqua). Possiamo sottoporre alle studentesse e agli studenti il seguente compito di realtà, che contiene diversi spunti di riflessione.
- Supponi che il carburante sia composto da idrocarburi con formula C$_{n}$H$_{2n+2}$.
a) Determina le percentuali in massa, rispettivamente, di carbonio e di ossigeno in funzione di $n$. Discuti i valori delle percentuali nell’intervallo $1<n<13$.
b) Supponi che il carbonio sia interamente convertito in CO$_{2}$. Determina quanti chilogrammi di CO$_{2}$ sono prodotti per ogni chilogrammo di carburante, assumendo per la percentuale in massa di carbonio il valore corrispondente a $n=8$ (iso-ottano).
- Determina il fattore di produzione di CO$_{2}$ in chilogrammi per ogni litro di carburante (la densità della benzina verde è di $0,76$ kg/dm$^{3}$).
- Molte case automobilistiche forniscono, per i diversi modelli, il consumo medio per chilometro (o il carburante consumato ogni $100$ km). Detto $c$ il consumo di carburante (in litri) per $100$ km, determina la CO$_{2}$ prodotta per ogni chilometro percorso in funzione di $c$.
- Il consumo di carburante aumenta con la velocità (per effetto, principalmente, dell’attrito viscoso dell’aria che cresce col quadrato della velocità). Determina l’aumento percentuale nell’emissione di CO$_{2}$ passando da $80$ km/h a $120$ km/h.
- Determina la CO$_{2}$ che sarebbe emessa dalla tua classe nel tragitto casa-scuola (andata e ritorno) se ciascuno studente fosse accompagnato da un adulto con un’automobile in un giorno e in un anno scolastico ($200$ giorni).
- La tabella sottostante riporta i consumi per diverse tipologie di veicoli. Completa l’ultima colonna. Utilizza i dati per determinare e confrontare l’impatto ambientale per passeggero di un ciclomotore ($1$ passeggero), di un’automobile (che trasporti $4$ passeggeri) e di un autobus ($70$ passeggeri).
| Tipologia di veicolo | Consumo di carburante (l/$100$ km) | CO$_{2}$ emessa (kg/$100$ km) |
| Automobile5 | $6$ | $14,6$ kg |
| Ciclomotore | $2,5$ | |
| Veicoli commerciali leggeri | $13$ | |
| Autobus | $20$-$30$ | |
| Mezzi pesanti | $30$-$40$ |
Parte B: l’incidenza del settore dei trasporti sulle emissioni di gas serra
Analizziamo con le nostre studentesse e i nostri studenti i dati della tabella 2, relativi all’emissione dei gas serra dai vari settori, estratti dall’ultimo rapporto Ispra-SINA disponibile (p. $18$) e relativi al periodo pre e post pandemia da Covid-$19$. Al macrosettore “energia” afferiscono tutti i processi che hanno come obiettivo principale la produzione di energia attraverso la combustione di materie prime per ricavare energia, come le industrie energetiche, le industrie manifatturiere e delle costruzioni e i trasporti. Il contributo relativo dei vari sottosettori al settore energia è illustrato in figura 1.
Tabella 2 – Emissioni di CO$_{2}$6 in Italia nel periodo $2019$-$2021$
| Settore | CO$_{2}$ emessa (kt) anno $2019$ | CO$_{2}$ emessa (kt) anno $2020$ | CO$_{2}$ emessa (kt) anno $2021$ |
| Energia | $336391$ | $300048$ | $332832$ |
| Processi industriali | $34038$ | $31040$ | $31852$ |
| Agricoltura | $32190$ | $33427$ | $32717$ |
| Rifiuti | $19657$ | $20456$ | $20190$ |
| Totale | $422276$ | $384970$ | $417591$ |
Dai valori assoluti che compaiono nella tabella e nella figura possiamo passare alle percentuali per stimare il peso del settore dei trasporti e in particolare di quello del trasporto stradale; osserviamo infine che la maggior parte della CO$_{2}$ è emessa dalle automobili, alimentate per lo più da carburanti derivati dal petrolio (fig. 2). È interessante quindi determinare la CO$_{2}$ emessa annualmente nel nostro Paese dalle sole autovetture. Tenendo presente il consumo e le emissioni medie di un’automobile, questo consente di stimare quanti chilometri vengono annualmente percorsi in autovetture alimentate a benzina e/o diesel.
Possiamo inoltre formulare delle congetture sugli effetti separati di una riduzione del trasporto privato in favore del trasporto pubblico e dell’aumento delle pratiche di mobilità condivisa, facendo concretamente sperimentare alle studentesse e agli studenti come si costruisce il modello matematico di un problema, indispensabile per delle previsioni di tipo quantitativo. Il punto di partenza per la discussione può essere anche una funzione molto semplice che esprima la quantità $Q$ di CO$_{2}$ prodotta in un anno dal sotto-settore dei trasporti come la somma di due contributi, uno dovuto al trasporto privato e uno dovuto al trasporto pubblico:
$Q=n_{priv}Q_{priv}+n_{pubbl}Q_{pubbl}$
in cui $n_{priv}$ e $n_{pubbl}$ sono, rispettivamente, il numero di veicoli privati e di veicoli pubblici e $Q_{priv}$ e $Q_{pubbl}$ le quantità medie di CO$_{2}$ emessa da ciascuno di essi in un anno. Già la costruzione di questo modello rappresenta una sfida non banale: quanti sono i mezzi privati e pubblici che circolano in Italia mediamente in un anno? E, soprattutto, quanti chilometri percorrono? Si capisce così che il dato rilevante da quantificare è il numero di chilometri percorsi con mezzo privato e con mezzo pubblico. Si può restringere l’analisi alla situazione di un gruppo tipico in diversi scenari:
- una famiglia di $3$ persone, di cui $2$ adulti che si spostano per lavoro ($n$ km complessivi in un giorno) su mezzi privati diversi per $g$ giorni all’anno e $1$ adolescente che si reca a scuola ($f$ km al giorno) su mezzo pubblico per $180$ giorni all’anno, più qualche spostamento per il tempo libero;
- la medesima famiglia in cui tutti i componenti si spostino, per il lavoro e la scuola, tramite mezzo pubblico.
Il processo mostra alle studentesse e agli studenti la necessità di fare delle ipotesi o assunzioni, delle approssimazioni, delle distinzioni, di introdurre diverse variabili e/o parametri: tutti questi ingredienti sono essenziali in qualsiasi modello matematico. Più che l’accuratezza del medesimo, è importante sottolineare il legame che sussiste tra le ipotesi fatte e le previsioni: di quanto ci si può aspettare di ridurre, in un anno, le emissioni, passando da uno scenario all’altro?
A ulteriori riflessioni si presta l’analisi dell’andamento temporale in Italia8 delle emissioni, totali e dovute ai trasporti, di CO$_{2}$ negli ultimi trent’anni: mentre le emissioni complessive hanno registrato una significativa diminuzione dopo il picco del $2004$-$2005$, il contributo dovuto ai trasporti è in leggera crescita (dal $20\%$ del $1990$ al $25\%$ del $2021$).
Parte C: la classificazione ambientale dei veicoli
A differenza della CO$_{2}$, che non ha un impatto diretto sulla nostra salute, gli inquinanti emessi dai veicoli alimentati a benzina e gasolio rendono insalubre l’aria delle nostre città, come mostra anche l’ultimo rapporto di Legambiente. L’adozione di misure atte a ridurre l’uso di combustibili fossili è dunque essenziale, più che per la mitigazione dell’effetto serra, per preservare la popolazione dall’esposizione ad agenti nocivi.
È utile introdurre il tema analizzando le cifre relative alle emissioni di inquinanti in Italia e l’andamento temporale nel periodo $1990$-$2021$:
Tabella 3 – Emissioni totali per inquinante9
| Anno | SOx [Gg] | NOx [Gg] | CO [Gg] | Pb [Mg] | PM$10$ [Gg] | PM$2,5$ [Gg] |
| $1990$ | $1783$ | $2124$ | $6794$ | $4304$ | $344$ | $238$ |
| $1995$ | $1322$ | $1988$ | $7067$ | $2023$ | $344$ | $237$ |
| $2000$ | $756$ | $1506$ | $4728$ | $993$ | $293$ | $205$ |
| $2005$ | $411$ | $1290$ | $3437$ | $329$ | $290$ | $186$ |
| $2010$ | $224$ | $942$ | $3054$ | $249$ | $341$ | $213$ |
| $2015$ | $128$ | $728$ | $2259$ | $231$ | $248$ | $169$ |
| $2016$ | $123$ | $716$ | $2191$ | $204$ | $227$ | $162$ |
| $2017$ | $119$ | $674$ | $2262$ | $210$ | $237$ | $170$ |
| $2018$ | $113$ | $678$ | $2062$ | $211$ | $262$ | $156$ |
| $2019$ | $112$ | $662$ | $2080$ | $206$ | $215$ | $151$ |
| $2020$ | $85$ | $596$ | $1898$ | $179$ | $220$ | $144$ |
| $2021$ | $79$ | $611$ | $2044$ | $210$ | $200$ | $149$ |
In particolare possiamo chiedere alle studentesse e agli studenti di determinare:
- la velocità di riduzione media di ciascun inquinante;
- la quantità di NOx dovuta al trasporto nel $2021$, sapendo che era pari al $62\%$ del totale.
Vale la pena sottolineare che il particolato rappresenta l’insidia maggiore per la salute e anche la sfida più difficile per i costruttori di veicoli. Il legislatore ha imposto nel tempo limiti sempre più restrittivi alle emissioni massime consentite, producendo la classificazione ambientale i cui standard (europei) sono riportati in tabella 4 (per le autovetture).
Tabella 4 – Standard europei per le emissioni (autovetture)
| Classe | Entrata in vigore | Limite emissioni CO | Limite emissioni particolato |
| Euro $0$10 | |||
| Euro $1$ | $1993$ | $2,72$ g/km | $0,14$ g/km |
| Euro $2$ | $1997$ | $2,20$ g/km | $0,08$ g/km |
| Euro $3$ | $2001$ | $2,30$ g/km (benzina) e $0,64$ g/km (diesel) | $0,05$ g/km |
| Euro $4$ | $2006$ | $1,0$ g/km (benzina), $0,5$ g/km (diesel) | $0,025$ g/km |
| Euro $5$ | $2009$ | $1,0$ g/km (benzina), $0,5$ g/km (diesel) | $0,005$ g/km |
| Euro $6$ | $2015$ | $1,0$ g/km (benzina), $0,5$ g/km (diesel) | $0,0045$ g/km |
A conclusione di questo percorso, possiamo proporre alle studentesse e agli studenti di cercare dati relativi al parco veicoli circolante in Italia, al fine di stimare la riduzione degli inquinanti ottenibile con un miglioramento, in media, di due classi ambientali. Naturalmente questo passaggio implica uno sforzo economico a livello individuale, probabilmente più impegnativo rispetto all’adozione di abitudini più orientate alla mobilità condivisa.
1 L’anidride carbonica non rientra propriamente tra gli inquinanti, ma è il gas principalmente responsabile dell’effetto serra.
2 Per l’ozono viene indicato in realtà il “valore obiettivo”.
3 A eccezione del piombo, per cui è indicato il valore limite, i valori riportati per i metalli sono quelli obiettivo e riferiti alla media su un anno.
4 https://transport.ec.europa.eu/eu-transport-day-cop28_en , https://transport.ec.europa.eu/eu-transport-day-cop28/transport-cop28-key-transport-events_en
5 I consumi dipendono da diversi fattori (potenza e dimensioni del veicolo, stile di guida, tipologia di strada) e dal tipo di alimentazione (benzina o diesel); è stato qui inserito un valore medio tra quelli proposti in questo documento del MISE. Inoltre si è assunto lo stesso fattore di produzione di CO$_{2}$ (circa $3,1$) per le due tipologie di carburante. Analoghe considerazioni valgono per le altre tipologie di veicoli, per ciascuna delle quali sono stati considerati dei valori medi.
6 In realtà i valori riportati comprendono tutti i gas serra (CO$_{2}$, CH$_{4}$, N$_{2}$O, …) espressi in unità di CO$_{2}$ equivalenti. Il contributo principale (circa $84\%$ del totale) è comunque rappresentato dalla CO$_{2}$.
7 Rapporto Le emissioni di gas serra in Italia (isprambiente.it) p. $29$
8 NIR2023.pdf (isprambiente.it) (e.g. p. $19$ e p. $91$), Emissioni-Trasporti-Anno-2021 _def.pdf (isprambiente.it) p. $4$.
9 Italian Emission Inventory 1990 – 2021 Informative Inventory Report 2023 p. $14$ (è stata estratta una selezione degli inquinanti per cui sono disponibili i dati nel rapporto).
10 Immatricolate prima del $31$/$12$/$1992$, sono alimentate con benzina al piombo e non hanno sistemi di filtraggio dei gas di scarico; in molte città italiane ne è permanentemente vietata la circolazione.