La classificazione dei modelli deterministici di qualità dell'aria

I modelli deterministici, per la loro stessa natura, hanno la necessità di essere alimentati con una serie di dati di ingresso, suddivisibili in tre tipologie generali:

• dati geografici, che descrivono le caratteristiche geografiche del territorio in cui avviene l'emissione, in particolare l'orografia. L'ambito territoriale in cui avviene l'applicazione del modello viene chiamato dominio di calcolo;
• dati emissivi, che descrivono le caratteristiche delle fonti di inquinamento atmosferico che vengono prese in considerazione, in particolare la quantità e la tipologia degli inquinanti emessi;
• dati meteorologici, che descrivono le modalità con cui gli inquinanti vengono dispersi nell'atmosfera , in particolare l'anemologia e i fenomeni legati alla turbolenza e alla stabilità atmosferica.

Forniscono in uscita la distribuzione spaziale di uno o più inquinanti in una determinata area , i cosiddetti campi di concentrazione che, nel caso dei modelli più evoluti, hanno carattere tridimensionale.

I modelli di qualità dell'aria più evoluti necessitano di veri e propri moduli di preprocessamento dei dati di ingresso, in particolare per quanto riguarda i dati meteorologici; si parla in questo caso più propriamente di catena modellistica in quanto i moduli di preprocessamanto dei dati meteorologici sono a loro volta dei veri e propri modelli che forniscono in uscita campi di grandezze quali vento, temperatura, turbolenza atmosferica ecc.

Esistono due categorie fondamentali di modelli deterministici, a seconda del sistema di coordinate spaziali a cui si fa riferimento . I modelli euleriani fanno riferimento a un sistema di coordinate fisso, mentre i modelli lagrangiani utilizzano un sistema di coordinate mobile che segue gli spostamenti delle masse d'aria. I modelli euleriani si suddividono a loro volta in modelli analitici, e in modelli a griglia. Nei primi, attraverso l'introduzione di una serie di semplificazioni, è possibile risolvere analiticamente l'equazione differenziale generale che descrive il trasporto e la diffusione. Ai modelli euleriani analitici appartengono i cosiddetti modelli gaussiani che costituiscono lo strumento di più semplice utilizzo nel campo, e i modelli a puff. La differenza fondamentale consiste nel fatto che i modelli gaussiani presuppongono che il processo sia stazionario (cioè che in ogni punto del dominio la variazione di concentrazione nel tempo sia nulla), mentre i modelli a puff permettono una trattazione , seppure semplificata, anche di processi non stazionari.

Nei modelli a griglia, invece, il dominio di calcolo è sempre tridimensionale , è suddiviso in una serie di celle attraverso un opportuno grigliato e l'equazione generale di trasporto e diffusione viene assunta in una forma più completa (non stazionaria) che richiede una risoluzione mediante metodi numerici. A questa categoria appartengono i modelli fotochimici in grado di descrivere, oltre alla diffusione e al trasporto, anche i fenomeni di trasformazione chimica a cui sono sottoposti gli inquinanti una volta immessi nell'atmosfera.

I modelli lagrangiani, anch'essi in grado di descrivere processi non stazionari, si suddividono a loro volta in modelli a particelle e in modelli a traiettorie.
L'emissione di ogni inquinante viene rappresentata, nel primo caso attraverso una serie di piccole unità di massa nota (denominate appunto particelle), nel secondo da colonne verticali unidimensionali. Si tratta in entrambi i casi di modelli che utilizzano un dominio di calcolo tridimensionale, ma mentre i modelli a particelle sono adatti anche a simulazioni di elevato dettaglio spaziale , quelli a traiettoria sono utilizzati nello studio di fenomeni a scala spaziale molto elevata, dell'ordine delle migliaia di chilometri, come nel caso dell'inquinamento transfrontaliero.