Nell'insieme dei rifiuti di materiale plastico, si definiscono microplastiche (MP) le particelle con dimensioni inferiori ai 5mm. A causa delle piccole dimensioni e del peso specifico poco diverso da quello dell'acqua, le MP vengono trasportate in modo quasi passivo dalle correnti marine e sono ormai presenti in tutte le acque naturali del pianeta. L'inquinamento da microplastiche rappresenta una delle più grandi minacce per l'ecosistema marino, perché tende a crescere esponenzialmente come il consumo generale di plastica e le particelle di dimensioni più ridotte possono entrare facilmente nella catena alimentare. L'inquinamento di MP rilevato nel Mar Mediterraneo non è molto inferiore a quello delle grandi "garbage patches" oceaniche, si rende quindi necessario lo sviluppo di strumenti di calcolo per il controllo e la previsione del fenomeno da affiancare alle tecniche di monitoraggio.
Lo scopo del progetto è proprio lo sviluppo di un modello che serva al raggiungimento di questi scopi. In particolare, si prevede lo sviluppo di vari moduli di calcolo che consentano di prevedere sia le emissioni sia la dispersione delle MP. Il modello delle emissioni sarà basato sulla valutazione del carico potenziale di MP prodotto dalla popolazione e sull'individuazione dei siti di rilascio, tenendo anche conto dell'abbattimento che avviene nella fase di trasporto dal punto di produzione al luogo di sversamento nel bacino marino. Il modello di dispersione delle MP sarà realizzato con un algoritmo statistico lagrangiano 3D innovativo. Si svilupperà anche una metodologia per dedurre la turbolenza marina, necessaria al calcolo della dispersione, utilizzando dati ottenibili direttamente dai database Copernicus ed ECMWF. Il modello sarà validato mediante confronto con dati di campionamento delle MP derivanti da campagne di monitoraggio marino.
A differenza del comparto atmosferico dove esiste un'ampia letteratura scientifica sui modelli di calcolo della dispersione di inquinanti, legata alle molteplici richieste della comunità civile per gli studi di impatto ambientale, in ambiente marino non c'è altrettanta richiesta e la ricerca è rimasta ad uno stadio meno avanzato. La maggior parte dei modelli marini sono dedicati al calcolo della dispersione dovuta a sversamenti accidentali di petrolio, interesse motivato degli eventi che hanno provocato i più grandi disastri ambientali del comparto marino. In prospettiva, l'aumento esponenziale del consumo di plastica e dell'inquinamento da MP potrebbe provocare un danno ambientale globale ancora più rilevante, questo fornisce una motivazione allo sviluppo di metodologie di calcolo specifiche per le MP.
Rispetto allo stato dell'arte il progetto di ricerca proposto introduce importanti elementi innovativi.
Attualmente, i modelli di MP non considerano esplicitamente la correlazione tra la portata delle sorgenti emissive e la popolazione da cui hanno origine i carichi inquinanti. In alcuni casi si considera la proporzionalità tra le portate dei fiumi e la portata delle sorgenti di inquinanti alla foce dei fiumi. Questo approccio implicherebbe una concentrazione costante di MP nelle acque reflue, ma questa condizione è del tutto arbitraria. Nel progetto proposto, invece, si ipotizza una proporzionalità tra la popolazione che scarica in un determinato corpo idrico e la portata delle sorgenti di MP. Il fattore di proporzionalità può essere legato a parametri statistici, ad esempio il consumo di plastica medio pro-capite in una determinata area geografica o più specificamente dei prodotti che sono all'origine delle MP rilasciate. Per avere una maggiore accuratezza del metodo, si considererà per ciascun fiume che sfocia nel bacino marino considerato la popolazione che insiste nel bacino idrografico corrispondente. Mentre per gli insediamenti urbani in prossimità della costa, si considereranno direttamente gli scarichi a mare dei depuratori con un carico di MP proporzionale al numero di abitanti. Per entrambe le tipologie di sorgenti si stimeranno empiricamente i fattori di rimozione prodotti dai fiumi e dai depuratori.
Un secondo aspetto innovativo introdotto dal progetto è rappresentato dalla formulazione utilizzata per il calcolo delle traiettorie delle particelle inquinate. Generalmente nei problemi di flussi turbolenti la velocità istantanea delle particelle fluide si calcola come somma della componente media (ottenibile dai modelli oceanografici) e della fluttuazione turbolenta (calcolata con il modello statistico lagrangiano). Attualmente i modelli marini più avanzati utilizzano traiettorie con velocità turbolente senza correlazione temporale (Processo di Markov di ordine 0) sia nel piano orizzontale che lungo la verticale. Mentre tale processo è accettabile nel piano orizzontale, dove i moti turbolenti più dispersivi sono risolti dal modello oceanografico, lungo la verticale tale metodo potrebbe introdurre una eccessiva semplificazione a scapito dell'accuratezza del modello. E' noto infatti che all'interno dello strato marino mescolato le velocità sono correlate nel tempo e nello spazio e le scale di correlazione spaziale hanno dimensioni confrontabili con la profondità dell'intero strato mescolato, quindi difficilmente trascurabili. Per superare tale inconsistenza teorica, si svilupperà un modello con velocità verticali correlate secondo lo schema di Langevin (Processo di Markov di ordine 1), con forzanti stocastiche congruenti con la condizione di "Well Mixed".
Un altro aspetto innovativo introdotto dalla ricerca è la parametrizzazione utilizzata per la turbolenza. Gli attuali modelli lagrangiani utilizzati in ambiente marino sono basati sulla diffusività turbolenta, tale parametro non può essere misurato direttamente a meno che non si realizzi un esperimento con il rilascio di traccianti in mare (drifter, inquinanti, ecc.). Un esperimento di questo tipo è estremamente complicato, se si vuole calcolare la dispersione lungo la colonna d'acqua. Nel metodo proposto, invece, le grandezze turbolente da valutare sono la varianza delle velocità turbolente lungo la verticale e l'altezza di mescolamento, tali grandezze possono essere misurate direttamente, utilizzando strumenti di monitoraggio di uso comune. Anche se nell'applicazione del modello non si utilizzeranno direttamente dati misurati, ma leggi di similitudine per la turbolenza, l'affidabilità di tali leggi è sicuramente superiore, potendo essere ricavate da numerose campagne svolte con misure dirette.