R-Studio: Analisi della concentrazione del diossido di azoto (NO₂) nell'area cittadina di Taranto (2009) (tesina)

Analisi della concentrazione del diossido di azoto (NO₂) nell'area cittadina di Taranto (2009)

Emanuele Tocci

Anno Accademico 2020-2021

Prof. Dario Benedetto

Sommario

• Introduzione ......................................................................................................... 2
• Sito di studio ..................................................................................................... 2
• Materiali e metodi ................................................................................................ 3
• Executive summary .......................................................................................... 3
• Risultati ............................................................................................................... 4
• Analisi esplorativa ............................................................................................ 4
• Elaborazione della variabile tempo ................................................................... 7
• Boxplot ........................................................................................................... 10
• Analisi delle componenti principali .................................................................. 15
• Analisi della correlazione ............................................................................... 18
• Regressione .............................................................................. 24
• Discussione e conclusioni ................................................................ 32
• R script ..................................................................................... 33

Introduzione

Lo scopo di questo breve elaborato sarà quello di analizzare la qualità dell'aria della città di Taranto attraverso l'analisi della concentrazione media giornaliera di NO₂. Nel corso di questa trattazione cercherò di verificare le ipotesi secondo cui le variazioni di tale concentrazione, regolamentata in Italia dal decreto legislativo 155 del 2010, che pone come valore limite 40 µg/m³, siano legate a fluttuazioni di numerose variabili di origine ambientale e antropica.

Sito di studio

Il sito di studio è localizzato nella parte sud-orientale della penisola italiana, nella regione della Puglia, tra le Murge e la fossa Bradanica. Taranto è una città costiera sviluppatasi nel golfo omonimo bagnato dalle acque del mar Ionio e delimitato dalle isole Cheradi.

Nell’area tarantina sono presenti numerosi e diversificati elementi di pressione antropica, si hanno infatti:

• Fonti di natura civile, principalmente rappresentati da veicoli e sistemi di riscaldamento delle abitazioni;
• Industriale, legate ai settori petrolchimico e siderurgico;
• Commerciale, sebbene l'impatto di quest'ultima categoria sia meno rilevante di quanto ci si potrebbe aspettare data la natura prevalentemente militare del porto cittadino.

Materiali e metodi

I dati utilizzati in questo elaborato provengono da sei centraline dislocate nell’area della città di Taranto. Sono disponibili le concentrazioni giornaliere di NO₂ (questi valori sono poi sintetizzati con media, mediana e massimo) dell’anno 2009, oltre a informazioni su numerosi parametri ambientali riportati da qui in avanti come segue in Tabella 1. Le analisi effettuate sono state realizzate tramite il software R Studio; in Tabella 1 accanto alle variabili, è riportato il nome con cui tali variabili sono state indicate nel software.

Executive summary

È stata condotta l'analisi esplorativa tramite il calcolo delle statistiche di base ed ei boxplot su base mensile di tutti i parametri disponibili. A tal riguardo, è stato deciso di eseguire le analisi successive utilizzando la media giornaliera come variabile e pertanto ne è stata analizzata la normalità tramite QQ plot e Shapiro-Wilks Test (W = 0.97631 ; p value: 1.073e^-05).

È stata eseguita un'analisi delle componenti principali (PCA) per individuare le variabili più significative, a cui è seguita un'analisi di correlazione realizzata tramite grafici a dispersione, matrice di correlazione ed un test di correlazione di Pearson. Queste analisi hanno permesso di evidenziare i fattori ambientali maggiormente correlati con la variazione di concentrazione dell'agente inquinante e di evidenziare l'importanza di alcuni aspetti di natura temporale, come il giorno della settimana o il periodo dell'anno.

A seguito di queste analisi, sono stati stimati i coefficienti di un modello di regressione lineare multipla (R-squared = 0.4803, Adjusted R-squared = 0.4626, p-value <2.2e^-16). Il modello con AIC più basso (1196.98) è stato selezionato tramite procedura stepwise in entrambe le direzioni. L'analisi dei suoi residui mediante grafico a dispersione, test di normalità (QQ plot e shapiro-wilks test -- W = 0.99007, p-value = 0.014) e istogramma ha permesso di verificare ulteriormente il modello stimato. Ciononostante l’autocorrelazione dei residui mostra la presenza di correlazione temporale.

Risultati

Analisi esplorativa

Importato il dataset di nome “taranto”, sono state ottenute le statistiche di base relative ai dati analizzati utilizzando i seguenti comandi:

• summary(taranto)
• attach(taranto)
• sd(media)
• sd(tmp)
• sd(umr)
• sd(pgg)
• sd(rdz)
• sd(prs)
• sd(vv)

I risultati sono riportati nella tabella 2:

La maggior parte dei dati esaminati presenta una distribuzione relativamente asimmetrica, con valori massimi particolarmente marcati. La vicinanza tra media e mediana nei valori relativi alla concentrazione dell'NO₂ fa supporre la normalità di tali dati; sono state quindi analizzate la skewness e la curtosi delle variabili esaminate.

A tale scopo è stato installato il pacchetto “moments” e sono stati utilizzati i comandi di seguito elencati:

• skewness(media)
• skewness(tmp)
• skewness(umr)
• skewness(pgg)
• skewness(rdz)
• skewness(prs)
• skewness(vv)
• kurtosis(media)
• kurtosis(tmp)
• kurtosis(umr)
• kurtosis(pgg)
• kurtosis(rdz)
• kurtosis(prs)
• kurtosis(vv)

La Skewness o indice di asimmetria è un indicatore molto usato; partendo dalla distribuzione di frequenza di un qualunque fenomeno, la skewness fornisce l’indicazione di quanto questa distribuzione si concentri attorno alla propria media oppure si disperda a destra o a sinistra di questa. In particolare, quando la Skewness è < 0 il fenomeno tende a formare una gobba a destra della media, formando di conseguenza una coda allungata a sinistra; viceversa quando è > 0 la coda tende ad allungarsi a destra formando una gobba a sinistra della media. Assume invece valore zero quando la distribuzione è perfettamente centrata attorno alla propria media.

La curtosi o kurtosis, indica un allontanamento dalla normalità distributiva, rispetto alla quale si verifica un maggiore appiattimento (distribuzione platicurtica) o un maggiore allungamento (distribuzione leptocurtica). La sua misura più nota è l'indice di Pearson e il valore dell'indice corrispondente alla distribuzione normale gaussiana è 0; un valore minore di 0 indica una distribuzione platicurtica, mentre un valore maggiore di 0 indica una distribuzione leptocurtica; è possibile che alcuni indici non siano centrati in zero e quindi il valore ottenuto nel caso di normalità è 3. Come ipotizzato, la media di NO₂ non si discosta molto da una distribuzione gaussiana, contrariamente a quanto avviene per la pioggia totale, la radiazione solare e la velocità del vento che sembrano essere asimmetriche a sinistra e poco vicine alla normalità di distribuzione.

La normalità di NO₂ è stata inoltre analizzata tramite uno Shapiro test ed un Q-Q plot. Il Q-Q plot ha permesso di ottenere una rappresentazione grafica dei quantili della distribuzione campionaria di NO₂ rispetto ai quantili della distribuzione teorica normale.

Nel grafico in figura 1, insieme al Q-Q plot viene disegnata anche la retta y=x che identifica il caso ideale di due distribuzioni identiche per le quali i quantili sono tutti identici. Le deviazioni del Q-Q plot rispetto tale retta permettono di identificare le deviazioni della distribuzione campionaria rispetto a quella normale. La disposizione dei dati all'interno del grafico in figura 1 (nonostante l'andamento delle code) verifica l'ipotesi di normalità dei dati.

Per quanto riguarda il test di Shapiro-Wilk, esso è uno dei test più potenti per la verifica della normalità. La statistica W può essere interpretata come il quadrato del coefficiente di correlazione in un diagramma quantile-quantile. Può assumere valori da 0 a 1, e qualora il suo valore sia troppo piccolo, il test rifiuta l'ipotesi nulla che i valori campionari siano distribuiti come una variabile casuale normale. I risultati del test di Shapiro-Wilks ottenuti per la NO₂ media (W = 0.97631 ; p value: 1.073e^-05) confermano tale ipotesi.

Le istruzioni di R utilizzate, sono riportate di seguito.

• shapiro.test(taranto$media)
• qqnorm(taranto$media)
• qqline(taranto$media, col = "red")

Fig. 1: Q-Q plot delle concentrazioni medie di NO₂

Elaborazione della variabile tempo

Il biossido di azoto (NO₂) è un inquinante che viene normalmente generato a seguito di processi di combustione. In particolare, tra le sorgenti emissive, il traffico veicolare è stato individuato essere quello che contribuisce maggiormente all’aumento dei livelli di biossido d’azoto nell’ambiente. Altre importanti fonti di ossidi di azoto sono gli impianti termici, le centrali termoelettriche, la produzione dei fertilizzanti azotati, la produzione di acido nitrico per ossidazione dell'ammoniaca e la fabbricazione degli esplosivi.

L’NO₂ è un inquinante per lo più secondario, che svolge un ruolo fondamentale nella formazione dello smog fotochimico in quanto costituisce l’intermedio di base per la produzione di tutta una serie di inquinanti secondari pericolosi come l’ozono, l’acido nitrico e l’acido nitroso. Una volta formatisi, questi inquinanti possono depositarsi al suolo per via umida (tramite le precipitazioni) o secca, dando luogo al fenomeno delle piogge acide, con conseguenti danni alla vegetazione ed agli edifici. Si tratta inoltre di un gas tossico irritante per le mucose e responsabile di specifiche patologie a carico dell’apparato respiratorio (bronchiti, allergie, irritazioni); a concentrazioni di circa 13 ppm (circa 4,4 mg/m³) esso procura irritazione alle mucose degli occhi e del naso mentre l'NO può portare alla paralisi del sistema nervoso centrale delle cavie sottoposte per 12 minuti a circa 2500 ppm (circa 3075 mg/m³).

Oltre agli effetti dannosi sulla salute dell'uomo, gli ossidi di azoto producono danni alle piante, riducendo la loro crescita, e ai beni materiali (corrosione dei metalli e scolorimento dei tessuti). Sulle piante, l'esposizione al biossido di azoto induce la comparsa di macchie sulle foglie.