Dottorato in INGEGNERIA AMBIENTALE E IDRAULICA

Titolo della tesi: Influence of Settling and Rising on the Vertical Distribution of Microplastics in the Marine Environment

Le microplastiche (MPs), definite come particelle di plastica con dimensioni inferiori a 5 mm, sono ormai ubiquitarie in ambiente marino. Tali particelle microscopiche, con un limite inferiore convenzionalmente fissato intorno ai 20 μm, rappresentano una minaccia sia per l’ambiente che per la salute umana. Le MPs possono assorbire contaminanti pericolosi come metalli pesanti e inquinanti organici persistenti (POPs) e vengono ingerite da organismi marini e terrestri, entrando nella catena alimentare. Il problema viene affrontato dalla comunità scientifica attraverso campionamenti in situ, analisi di laboratorio e modelli di dispersione. Tra questi ultimi, i modelli lagrangiani risultano i più diffusi per lo studio delle MPs in ambiente marino. In tali modelli, lo spostamento delle MPs è governato da una componente media, ricavata da modelli oceanografici di tipo euleriano, e da una componente stocastica volta a rappresentare la diffusione turbolenta. Per la componente verticale è essenziale considerare anche il contributo della velocità terminale, la quale dipende dalle proprietà fisiche delle MPs, in particolare dimensione, forma e densità. Tale velocità si definisce di “settling” (affondamento) o di “rising” (risalita) a seconda che la densità del polimero sia maggiore o minore di quella dell’acqua. La velocità terminale rappresenta uno dei principali fattori che determinano la distribuzione verticale delle MPs. L’obiettivo iniziale di questo lavoro è stato quello di rappresentare l’intero spettro di MPs presenti in ambiente marino, al fine di condurre simulazioni lagrangiane che tenessero conto della variabilità delle dimensioni, forme e densità dei polimeri. L’influenza delle velocità di settling/rising sulla distribuzione verticale è stata indagata attraverso un modello lagrangiano tridimensionale sviluppato dal gruppo di ricerca, con l’obiettivo finale di validare il modello attraverso il confronto con dati sperimentali derivati da campionamenti. È stata sviluppata una distribuzione di probabilità originale delle velocità terminali di settling e rising, in grado di rappresentare diversi tipi di MPs nei modelli di dispersione. In una fase iniziale, è stata condotta un’analisi di sensibilità mediante un modello euleriano bidimensionale semplificato, seguita dall’applicazione del modello lagrangiano a un caso studio nel Mar Tirreno. L’analisi euleriana ha evidenziato che la distribuzione verticale è influenzata principalmente dalla velocità terminale e dalla diffusività turbolenta verticale. Le simulazioni lagrangiane hanno mostrato come l’utilizzo nel modello di sole particelle rising, settling o neutrali conduca a profili verticali di concentrazione delle MPs nettamente differenti. Inoltre il limite inferiore della dimensione delle particelle considerato per la generazione delle distribuzioni di velocità di settling/rising è risultato il parametro con maggiore influenza sulla distribuzione verticale. L’aumento di questo limite comporta velocità terminali più elevate e una transizione da profili verticali quasi uniformi a profili esponenziali. I profili verticali simulati con il modello lagrangiano sono stati validati attraverso il confronto con dati sperimentali, usando per le simulazioni lo stesso intervallo dimensionale delle particelle campionate. Tale confronto ha rilevato due leggi di similitudine differenti a seconda dell’intervallo dimensionale delle MPs considerate.