Formazione Green al Nautico S. Giorgio
per cittadini attivi e consapevoli
Tiziana Caliman
Istituto Nautico San Giorgio, Genova, Docente di Matematica
Alessandra Casarino
Istituto Nautico San Giorgio, Genova, Docente di Tecnologie chimiche
e-mail: calimantiziana@itnautico.edu.it;
Indice
1. Introduzione: il progetto Sentinelle, dotazioni e contributo originale del nostro Istituto
Abstract. The study presents an innovative, multidisciplinary laboratory for education and training in ecological transition, involving students directly in monitoring nitrogen dioxide levels around their residences. This study aims to understand the primary causes of air pollution to enhance attention to eco-sustainability and climate change as a significant segment of the educational curriculum in Italian schools. Italian schools have a long-standing tradition of developing projects aimed at fostering an understanding of the intricate relationship between humans and the environment. These educational initiatives promote the integration of various school disciplines and environmental education, assisting students in synthesizing knowledge and viewing their academic learning as a tool to comprehend both local and global realities. Furthermore, they help students recognize their roles as active citizens who can contribute to intergenerational air quality preservation through informed and rational choices.
Keywords: didattica laboratoriale; inquinamento atmosferico; diossido di azoto; polveri sottili
1. Introduzione: il progetto Sentinelle, dotazioni e contributo originale del nostro Istituto
Sentinelle dell’aria è un progetto presentato dall’Associazione Ecoistituto di Reggio Emilia e di Genova e dal Centro di Solidarietà Bianca Costa Bozzo (CEIS), nell’ambito del Patto Giovani, promosso dalla Regione Liguria. Trattasi di un percorso didattico/laboratoriale che racchiude tematiche riconducibili all’Educazione Civica e all’Educazione Ambientale che ha coinvolto alcuni plessi scolastici genovesi. Al fulcro del progetto c’è l’aria che respiriamo, un bene comune, di vitale importanza, la cui qualità, spesso, viene meno per scelte collettive, quali ad esempio, modalità di trasporto, di produzione e di consumo e per scelte individuali, ad es. fumo di sigarette, non buona ventilazione di ambienti e usi inadeguati dei sistemi di riscaldamento.
Il nostro Istituto ha colto l’opportunità di partecipare al progetto, diventando un centro di monitoraggio della qualità dell’aria, con la partecipazione attiva degli studenti, guidati dalla Prof.ssa Casarino e dalla Prof.ssa Caliman, dagli esperti di Ecoistituto Re-Ge, dal responsabile del progetto Dott. Federico Valerio, dal fondatore della Rete CheAriaCheTira, Niccolò Villiger, e da alcuni dirigenti dell’Arpal, il Prof. Federico Grasso e il Prof. Andrea Bisignano, che si sono resi disponibili durante le analisi.
La nostra scuola ha ricevuto:
Gli studenti “tester” hanno ricevuto campionatori di NO2, da tenere per una settimana in casa propria, con allegato un questionario da compilare, in cui veniva loro richiesto di descrivere dettagliatamente gli ambienti e le condizioni di vita familiari, ossia la presenza o meno di riscaldamento a legna, calderina, presenza di fumatori e altri fattori identificati come drivers. I ragazzi sono stati, in primo luogo, edotti sulle reazioni chimiche che avvengono tra i gas atmosferici e sui condizionamenti reciproci che si possono verificare nella troposfera. All’interno del cilindretto del campionatore c’è, infatti, una parte assorbente che “cattura” l’NO2.
In questo modo si sono raccolti numerosi dati provenienti dalle rilevazioni e dai questionari; quindi, si deciso di effettuare analisi statistico/matematiche sul DB realizzato: due classi seconde (2A di Genova e 2B di Camogli) si sono occupate della realizzazione del DB e dell’analisi statistica dei dati, mentre una classe quinta (5C di Genova) si è interessata della modellizzazione dei dati per indagare e testare le possibili determinanti del diossido di azoto e delle polveri sottili.
Il grande apporto del nostro Istituto è stato, pertanto, quello di saper coinvolgere un discreto numero di maturandi in analisi che si sono svolte in orario extracurriculare fornendo loro:
2. Analisi effettuate: il progetto Sentinelle al Nautico
A seguito di alcune sessioni di brainstorming effettuate con gli studenti della 5C e delle necessarie analisi di fattibilità si è deciso di indagare:
Sono state, però, riscontrate enormi difficoltà nel reperimento dei dati inerenti al traffico giornaliero medio cittadino: l’Anaf, infatti, poteva fornire solamente informazioni relative al traffico extraurbano, mentre Enex permetteva la consultazione del DB solo a personale dipendente delle PA. Considerati i tempi stretti, dettati dal concorso nazionale “La Sfida dei Big Data” ed. 2022-2023, si è deciso di operare estendendo la dimensione temporale di analisi al quadriennio 2019-2023 e introducendo una dummy lock down come misura indiretta del traffico.
2.1 Laboratorio sentinelle: posizionamento attrezzature, selezione studenti sentinelle, istruzioni sulle modalità di rilevazione dei dati
È stato inizialmente allestito un mini-laboratorio su un banco all’interno della classe 2A, dove sono stati posizionati la centralina per misurare la concentrazione di CO2, due campionatori per NO2, un termoigrometro per la valutazione della T e della U% relativi ad ogni intervallo temporale ritenutosi opportuno e stabilito ex ante (Figura 1). Stessa procedura è stata seguita nella classe 2B di Camogli.
Figura 1
Gli studenti, incaricati delle rilevazioni in aula, per una settimana hanno preso nota (e poi riportato sul file dedicato al progetto) dei valori di T, U% e delle concentrazioni di CO2 registrati in classe. I dati osservati sono stati messi in relazione con la frequenza di ricambio dell’aria e il numero di studenti/personale scolastico presente in classe.
Invece, agli studenti Sentinella, edotti sul protocollo di trasporto e modalità di corretto posizionamento, sono stati consegnati i campionatori passivi di NO2 che hanno portato a casa e posizionato nel locale cucina. Agli stessi è stato somministrato un questionario, in cui si chiedevano dettagli sulla propria abitazione: piano, localizzazione in aree trafficate, prossimità geospaziale a un impianto semaforico, vista porto, presenza o meno di stufe a legna, frequenza di utilizzo dei fornelli a gas e su eventuali altre fonti di inquinamento (ad es. presenza di fumatori in casa).
Coerentemente con le attese, i ragazzi abitanti in zone molto trafficate hanno riscontrato dati “preoccupanti” per quel che riguarda la salubrità dell’aria, con valori di NO2 alquanto elevati. Disattendendo i risultati previsti, la “vista porto” influenza positivamente la qualità dell’aria associandosi a un livello inferiore di NO2. Questa evidenza potrebbe giustificarsi con il fatto che, se un’abitazione ha la vista sul porto, si presuppone che la stessa sia decentrata e sopraelevata rispetto al livello del mare: quindi non essendo nel retroporto si registrano livelli inferiori di NO2.
Si è riscontrata, altresì, una correlazione diretta tra l’uso dei fornelli a gas (metano) all’interno delle abitazioni e il livello di NO2. Il diossido di azoto si forma, infatti, quando ad alte temperature o ad alte pressioni l’azoto atmosferico reagisce con l’ossigeno dell’aria creando così il NO2.
Durante l’allestimento del laboratorio si è, pertanto, illustrato ai discenti che l’NO2 si origina per la reazione dell’azoto contenuto nell’aria (ca. 79% N2) con l’ossigeno atmosferico secondo le seguenti reazioni
N2 + O2 → 2NO
2NO +O2 → 2NO2
dando ampio spazio all’approfondimento sulle modalità con cui il monossido si converte in diossido.
Inoltre, si è spiegato loro che, alle normali temperature dell’aria, l’ossigeno e l’azoto reagiscono pochissimo tra loro e che, invece, in concomitanza di processi di combustione in cui vengono superati i 1100 °C, si ha una rapida produzione di NO mediante la prima reazione, mentre mediante la seconda reazione si forma al più lo 0.5% di NO2. La sintesi dell’NO2 inoltre può avvenire anche attraverso il ciclo fotolitico che coinvolge principalmente gli NOx, l’ozono (O3), gli idrocarburi, le aldeidi e il perossiacetilnitrato (PAN), cioè gli inquinanti fotochimici. L’NO2 è l’inquinante che assorbe più efficientemente la luce UV che raggiunge la Terra e questa interazione conduce ad una complessa serie di reazioni:
NO2 → NO + O
O + O2 → O3
O3+ NO → NO2 + O2
NO2 + OH → HNO3
L’NO2 viene rigenerato dalla reazione fra l’NO e l’O3 formati e, pertanto, il risultato complessivo sembrerebbe una reazione ciclica continua: in condizioni di stato stazionario, l’NO e l’O3 dovrebbero essere sintetizzati e distrutti in uguali quantità. Tuttavia, non mantenendosi costanti i rapporti tra NO2 e NO presenti in atmosfera, a causa dell’introduzione degli idrocarburi, si alterano gli equilibri in quanto gli idrocarburi reagiscono con gli atomi di ossigeno formando dei radicali liberi altamente reattivi che, a loro volta, ossidano l’NO a NO2, favorendo l’accumulo di NO2 e di O3. Questa reazione avviene senza il consumo di una equivalente quantità di O3 e, quindi, il risultato finale consiste in un accumulo di NO2 e O3 e in una rimozione di NO.
I radicali liberi possono ancora reagire con l’NO2 per formare PAN o con gli idrocarburi per formare aldeidi, chetoni e alchilnitrati.
Pertanto, le fonti antropiche sono costituite dalle reazioni di combustione dei combustibili fossili sia in sorgenti stazionarie (quali le centrali termoelettriche e i riscaldamenti domestici) sia mobili (quali gli autoveicoli a combustione interna), fattori che sono stati indagati dai ragazzi come variabili esplicative.
Altri fonti antropiche di NOx, non legate a reazioni di combustione, sono rappresentate dalle industrie che utilizzano o producono l’acido nitrico (HNO3), da quelle che producono fertilizzanti, dai processi di saldatura e dall’uso di esplosivi. Le sorgenti antropiche, a differenza di quelle naturali, sono generalmente circoscritte a determinate aree, dove può pertanto verificarsi un rilevante accumulo di NOx.
In sala insegnanti, infine, è stata collocata una centralina per la determinazione della concentrazione delle polveri sottili PM2,5 e PM10 (Figura 2), che ha registrato valori outlier solo in alcuni casi, ossia quando la stanza era troppo affollata o quando l’operatore della manutenzione del distributore di caffè muoveva la centralina e la sottoponeva a un eccesso di polveri per le operazioni di pulizia. Le principali variabili che influenzano le polveri sottili sono riconducibili alle condizioni meteorologiche che sono state indagate direttamente dai ragazzi attraverso un’analisi della letteratura sul tema e dei report ARPAL.
Figura 2. Centralina per le PM10 e PM2,5
2.2 Un’analisi sulle determinanti delle polveri sottili
Dalla prima indagine si sono stimate 3 regressioni lineari OLS attraverso il pacchetto Excel (scaricando Analisi Dati come componente aggiuntiva), dove, come variabile dipendente, si sono considerati alternativamente i livelli di PM10 o PM2,5, rilevati dalle tre centraline prese in considerazione e, come regressori, sono stati selezionati: la temperatura media giornaliera, l’umidità, il punto rugiada, la velocità media del vento, la pressione atmosferica, la visibilità in termini di km, e una variabile dummy “pioggia”, che assume il valore 1 qualora ci siano state in quel giorno precipitazioni di qualsiasi natura (pioggia, grandine o neve).
Nelle figure 3, 4 e 5 sono riportati gli output delle regressioni lineari delle PM2,5 ricavati, rispettivamente, per la centralina in Corso Firenze, per quella di Pagano Doria e per quella posta nell’istituto Nautico San Giorgio (i dati relativi alle PM10 sono del tutto comparabili).
Negli output presentati, le celle numeriche che riportano i test F di significatività dei coefficienti stimati sono state approssimate a due decimali dopo la virgola, dato che i valori ottenuti dal programma raggiungevano un numero di decimali eccessivamente elevato (fino a 10-17).
Figura 3. Output regressione (Corso Firenze)
Figura 4. Output regressione (Pagano Doria)
Figura 5. Output regressione (Nautico)
Si evidenziano problemi con la centralina disposta all’interno del nostro istituto riconducibili in primis all’aver dovuto installare la centralina in sala professori, piuttosto che all’esterno dell’istituto, tuttavia, questo limite sarà superato in corso del prossimo anno scolastico. Inoltre, durante le rilevazioni la centralina è stata spostata e durante le azioni di manutenzione della macchina del caffè si registravano picchi anomali; pertanto, in alcuni periodi si è proceduto alla depurazione del DB. Da qui la scarsa significatività sia delle variabili esplicative, sia la scarsa capacità esplicativa (R2) e robustezza del modello stesso (test F).
Per le altre regressioni rileviamo invece un test F di significatività congiunta dei coefficienti stimati buona e una discreta o buona capacità regressiva. Quasi tutte le variabili esplicative individuate risultano significative e di impatto non trascurabile, in particolare: pressione atmosferica; precipitazioni; vento e nebbia. Per ciascuna di queste variabili se ne sono analizzate le motivazioni con i ragazzi e con il personale ARPAL.
Quando la pressione atmosferica, ossia la forza esercitata dall’atmosfera sulla superficie terrestre, diminuisce, l’aria tende a salire verso lo spazio, portando con sé le particelle di polvere sottile presenti nell’aria. Viceversa, quando la pressione atmosferica aumenta, l’aria tende a scendere verso la superficie terrestre, trascinando con sé le particelle di polvere sottile (da qui i coefficienti stimati significativi e positivi).
Le precipitazioni d’altronde possono lavare via le particelle di polveri sottili dal cielo, pulendo l’aria. Ciò avviene perché le particelle di polvere sottile vengono raccolte e trasportate dalla pioggia o dalla neve e depositate a terra (coefficienti significativi e negativi).
Il vento diffonde le particelle di polvere sottili nell’aria; in particolare, i venti forti possono sollevare grandi quantità di polveri sottili da superfici come il suolo e spostarle in altre zone (coefficienti significativi e positivi).
La nebbia (visibilità), infine, può contribuire all’accumulo di particelle di polvere sottile nell’aria; quando la nebbia si forma, le goccioline d’acqua si condensano sulle particelle già presenti nell’aria e le fanno cadere verso il suolo (coefficienti significativi e negativi).
2. 3 Un’analisi dell’influenza del traffico sul diossido di azoto: il DB e le analisi con giustificazioni chimiche dei risultati
In tabella 1 sono riportati gli output delle rilevazioni effettuate dai ragazzi coinvolti nel progetto quali sentinelle dell’aria.
Tabella 1. Estratto DB
Si è cercato di indagare la correlazione tra i livelli di NO2 riscontrati nelle loro abitazioni su una serie di variabili ritenute rilevanti e colte attraverso la somministrazione di questionari sviluppati ad hoc: la presenza di fumatori in casa, l’utilizzo dei fornelli a gas (1-3 a seconda dei pasti cucinati in casa), la localizzazione dell’abitazione in zone trafficate o in prossimità del porto o di semafori e la tipologia di riscaldamento.
Tuttavia, data la scarsa numerosità campionaria non si poteva stimare un modello regressivo: la significatività e robustezza dei risultati erano scarsi.
Pertanto, si è proceduto utilizzando dati forniti dall’ARPAL relativi ad una centralina posta in prossimità del nostro istituto (via Buozzi) e ci si è concentrati sul legame tra NO2 e traffico. Infatti, in fase di accelerazione o di marcia normale veicolare, si ha maggior produzione di ossidi di azoto. Come già detto, la reazione tra l’azoto molecolare, estremamente inerte, e l’ossigeno avviene in presenza di calore, emesso dal motore, che fornisce un’elevata quantità di energia (energia di attivazione). Le marmitte catalitiche hanno invece la proprietà di riportare questi inquinanti ad azoto molecolare.
Si sono costruite due variabili lockdown, come misura indiretta del traffico cittadino, e si sono stimate due distinte regressioni. Le due variabili sono di seguito riportate:
In entrambe le regressioni (Figura 6), la dummy strong risulta significativa e di una magnitudo non trascurabile: circa 10 punti in meno di NO2 qualora ci sia il blocco totale. Per la categorica easy & strong, qualora il blocco sia parziale, si ha un abbassamento di NO2 di circa 5 punti, ossia il valore assunto dalla variabile in caso di limitazioni parziali diventa 10,3 × 0,5.
Figura 6. Output regressione NO2
Si è osservata una forte correlazione tra il traffico veicolare e l’NO2, con un impatto di 10,3 su 50, sintomo di una situazione che deve essere maggiormente “regolamentata”.
Questa attività è stata realizzata con gli studenti con un primario obiettivo: comprendere appieno il ruolo di cittadino attivo che, un domani, gli studenti dovranno saper svolgere nella società, riconoscendo il problema pressante dell’inquinamento atmosferico, capendone le sue determinanti e le possibili strategie attuabili per la salvaguardia intra e intergenerazionale.
Per questo motivo si sono studiati, modellizzandoli, gli inquinanti, le loro determinanti, con un approfondimento sugli aspetti chimici. Si è analizzato, inoltre, l’impatto che le particelle inquinanti hanno sull’ambiente e sulla salute umana.
I ragazzi partecipando a questo progetto si sono costituiti parte attiva di uno studio che ha esplorato l’asse scientifico-tecnologico del mondo circostante: hanno osservato, misurato, studiato alcuni inquinanti atmosferici. In tal modo hanno compreso il valore della conoscenza del mondo naturale e di quello delle attività umane, come parte integrante della loro formazione globale.
Durante le attività proposte gli studenti hanno acquisito metodi, concetti, atteggiamenti indispensabili a interrogarsi, osservare e comprendere il mondo e si sono misurati con la molteplicità, problematicità e trasformabilità del reale.
Per questo l’apprendimento centrato sull’esperienza e l’attività di laboratorio assume particolare rilievo. L’adozione di strategie d’indagine, di procedure sperimentali e di linguaggi specifici costituisce la base di applicazione del metodo scientifico e della matematica applicata. Secondariamente, il lavoro in gruppi eterogenei ha migliorato l’inclusività e ha creato un ambiente favorevole all’apprendimento.
In ultimo, la partecipazione al concorso nazionale ha costituito un rilevante incentivo che ha indotto alcuni ragazzi a uno notevole impiego di tempo extracurricolare grazie alla motivazione intrinseca (desiderio di riuscire a concludere il lavoro producendo stime robuste) ed estrinseca (speranza di vincere i crediti universitari come premio).
La consideriamo, pertanto, un’esperienza di successo da replicare in futuro per l’indubbio carattere multidisciplinare e green dell’attività, per il riscontro avuto dai ragazzi, per le conoscenze e competenze acquisite, in primis imparare a imparare, facendosi parte attiva del processo di apprendimento che è andato ben oltre i meri programmi didattici, infine per i risultati ottenuti. Si è, infatti, partecipato a un concorso nazionale per studentesse e studenti degli istituti d’istruzione di secondo grado, terza edizione 2023-24, bandito dal Dipartimento di Economia e Statistica Cognetti de Martiis dell’Università di Torino e intitolato “La sfida dei Big Data – Comprendere il cambiamento climatico grazie ai dati”.
Le autrici desiderano ringraziare il Dirigente Scolastico dell’Istituto Nautico San Giorgio, Prof. Paolo Fasce, per la disponibilità degli ambienti ove sono state collocate le centraline e i rilevatori, il personale della scuola, che ha personalmente sorvegliato e controllato le centraline e gli studenti coinvolti, i nostri ragazzi, che hanno dimostrato una grande maturità e autonomia di gestione e, last not least, i colleghi che hanno pazientemente supportato le nostre attività.
AA.VV., Verso una cultura della sostenibilità: educazione e formazione come leve del cambiamento, Seminario Tecnico, 27 settembre 2021- Evento virtuale (https://www.mase.gov.it/pagina/verso-una-cultura-della-sostenibilita-27-settembre-2021).
ARPAL (Agenzia regionale per la protezione dell’ambiente ligure – U.O. Qualità dell’Aria), Report sugli effetti per la qualità dell’aria del lockdown, 2020 (https://www.arpal.liguria.it/files/ARIA/2020/Lockdown/report_lockdown_4_0_ok.pdf).
G. Morgan, D. Lincoln, V. Sheppeard, B. Jalaludn, The effects of low-level air pollution on daily mortality and hospital admissions in Sydney, Australia, 1994 to 2000, ISEE-571, Epidemiology, 2003, 14(5), S111-S112.
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WHO global air quality guidelines: particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide: https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228)
Siti dai quali si sono ricavati i dati
Sito usato per accedere alle centraline di monitoraggio della qualità dell’aria, installate grazie al progetto Sentinelle dell’Aria nella provincia di Genova: http://www.cheariatira.it/rete-centraline-di-monitoraggio-provincia-di-genova/
Sito usato per estrarre i dati meteorologici riguardanti vento, temperatura media, precipitazioni, pressione atmosferica e altri dati nel periodo 01/01/2019 – 31/03/2023: https://www.ilmeteo.it/portale/archivio-meteo/Genova/
Siti usati per risalire ai giorni di lockdown durante la pandemia per valorizzare una variabile dummy come misura indiretta del traffico: https://www.ilgiorno.it/cronaca/lockdown-1.6111968; https://it.wikipedia.org/wiki/Gestione_della_pandemia_di_COVID-19_in_Italia
Sito usato per estrarre i dati relativi al diossido di azoto (NO2): https://www.arpal.liguria.it/area-riservata/58-flexicontent/temi-news/4755-report-arpal-sugli-effetti-per-la-qualità-dell-aria-del-lockdown.html