Campo da calcio in erba sintetica della Central University of Finance and Economics a Pechino, Cina (foto Zhelin Guo).

I problemi legati all’attuale tendenza climatica che vede un costante aumento della temperatura media dell’aria a partire dagli anni ’80 del secolo scorso fanno ormai la loro comparsa in ogni settore dell’attività umana, e con particolare frequenza nell’ambito della progettazione e della gestione del territorio.

Premesso che ne parleremo ancora negli articoli dello”Speciale” dedicati al “verde urbano”, il rapporto tra le superfici naturali o artificiali e il microclima locale è di fondamentale importanza in un’ottica di adattamento e di mitigazione del riscaldamento in atto.

Vanno innanzitutto chiaramente distinti due aspetti del riscaldamento climatico. Quello generale, causato – a quanto oggi risulterebbe – dall’aumento dei gas serra nell’atmosfera su scala globale: e rispetto al quale i possibili rimedi possono avere effetti solo a lunga scadenza (riduzione dei consumi di combustibili fossili, transizione energetica, ecc.). E quello locale, determinato dalle diverse caratteristiche fisiche delle superfici artificiali rispetto a quelle naturali: il mancato raffreddamento delle superfici artificiali nelle ore notturne o il suo eccessivo riscaldamento sotto i raggi del sole determinano il fenomeno noto come “isola di calore urbana”. Su questo è possibile intervenire con facilità e con esisti immediati.

Un’area intorno allo stadio Nebiolo (Torino), ortofoto (Google Earth) e immagine termosensibile (Digisky.it).

Entrando direttamente nel tema dell’impianto sportivo, è del tutto evidente che un campo di calcio tradizionale rappresenta una superficie di 7.000 mq di erba naturale, con le sue specifiche caratteristiche di capacità termica, umidità, traspirazione; caratteristiche completamente diverse da una superficie in erba sintetica intasata con sabbia, con gomma, o con altri materiali di diversa natura.

Possiamo individuare, ancor prima di addentrarci in verifiche sperimentali, due condizioni particolari della trasformazione di un campo dal naturale al sintetico: l’alterazione del comportamento termico e la diminuzione dell’infiltrazione della pioggia nel terreno.

La ricerca di van Huijgevoort, Cirkel e Voeten

Nello scorso luglio è stata pubblicata una ricerca, svolta da ricercatori olandesi (vedi dettaglio a fine articolo), volta a sperimentare una tipologia di sistema di erba artificiale in grado di migliorarne le caratteristiche termiche e idriche.

In sintesi, lo studio ha analizzato le possibilità di un sistema di stoccaggio dell’acqua sottosuperficiale e di irrigazione capillare per il raffreddamento evaporativo dell’erba artificiale, basato sulla cattura, lo stoccaggio e il riutilizzo dell’acqua piovana. Il sistema consiste in un sottofondo di ritenzione idrica di 85 mm con colonne capillari, un cuscinetto d’urto capillare e un riempimento naturale. In primo luogo, è stato condotto un esperimento di laboratorio per testare il potenziale evaporativo del sistema con diversi tipi di intaso e di erba artificiale. Successivamente, sono stati progettati quattro terreni di ricerca ad Amsterdam, composti da erba naturale, erba artificiale convenzionale e due versioni del sistema di erba artificiale raffreddata (non infill e standard). L’evaporazione dall’erba artificiale raffreddata ha raggiunto valori massimi di circa 4 mm/d durante l’estate e le temperature superficiali erano significativamente più basse rispetto all’erba artificiale convenzionale. L’acqua piovana è stata immagazzinata sotto i campi. Combinando queste funzioni, questi campi possono aiutare le città ad adattarsi ai cambiamenti climatici.

Le evidenze microclimatiche

Ancor prima della proposta del nuovo sistema, l’interesse di questa ricerca sta nella verifica sperimentale dell’incidenza dell’erba sintetica sul microclima locale.

Di fatto l’erba artificiale diminuisce l’infiltrazione netta della pioggia nel suolo e porta a cambiamenti nelle condizioni termiche. L’infiltrazione della pioggia nel suolo diminuisce, perché l’acqua viene catturata dai sistemi di drenaggio sub-superficiali e scaricata rapidamente nelle fognature o nelle acque superficiali, invece di percolare nel sottosuolo. L’evaporazione superficiale è fortemente ridotta nell’erba artificiale rispetto a quella naturale, con conseguente aumento delle temperature della superficie e dell’aria, aggravando l’effetto isola di calore urbana.

Le temperature di superficie dei manti artificiali convenzionali raggiungono valori superiori a 70°C nelle giornate estive di sole. Diversi studi condotti a partire dagli anni ’70 hanno dimostrato che le temperature superficiali dell’erba artificiale superano regolarmente la soglia di 45°C per il dolore da calore in diverse città delle regioni temperate.

Le elevate temperature superficiali dei campi in erba artificiale sono legate, oltre che alle condizioni meteorologiche, al tipo di intaso, all’ammortizzatore e al trasferimento di calore dal manto sintetico e dal sottofondo all’ammortizzatore. Le modifiche al tipo di intaso (ad esempio, cambiando l’albedo) hanno portato solo a piccoli miglioramenti rispetto ai sistemi convenzionali. Diversi studi hanno dimostrato che il raffreddamento per evaporazione è l’unico modo efficace per ridurre le temperature superficiali. Questo effetto di raffreddamento può essere ottenuto con l’irrigazione a pioggia dell’erba artificiale. Lo svantaggio dell’irrigazione è che l’effetto di raffreddamento è molto temporaneo, la giocabilità è influenzata negativamente e sono necessarie grandi quantità di acqua dolce. Oltre a questi aspetti negativi, l’irrigazione potrebbe causare rischi per la salute degli atleti e degli spettatori se viene utilizzata acqua non potabile non trattata.

Nello studio svolto dai ricercatori olandesi sono state analizzate le possibilità di un sistema di stoccaggio dell’acqua sottosuperficiale e di irrigazione capillare per raffreddare i manti erbosi artificiali e ridurre l’impatto di eventi di precipitazione di elevata intensità. Gli obiettivi del sistema di accumulo idrico sottosuperficiale sono: 1) immagazzinare le precipitazioni sotto il campo per utilizzarle successivamente in loco per l’evaporazione o lo scarico lento e 2) raffreddare il manto erboso artificiale consentendo l’evaporazione senza influire sulle caratteristiche di gioco del campo.

Attraverso uno studio pilota, è stato dimostrato in che misura il sistema può raggiungere questi obiettivi e contribuire così a un sistema sportivo sensibile al clima e all’acqua.

Il test sperimentale

Per verificare i risultati – già sperimentati in laboratorio – in una situazione reale di radiazione solare, è stato condotto un esperimento sul campo in un sito di Amsterdam (Marineterrein), nei Paesi Bassi (52,37° di latitudine, 4,92° di longitudine).

Nell’esperimento sul campo sono state realizzate quattro parcelle di terreno di 5 x 5 metri:

• una parcella irrigata per capillarità con un manto artificiale “standard” da 50 mm con un intaso di sabbia fine da 45 kg/mq (30 mm) (“standard raffreddato”);
• un appezzamento irrigato per capillarità con erba artificiale “non-infill” da 30 mm con un intaso di sabbia fine da 10 kg/mq (10 mm) (“raffreddato non-infill”);
• un appezzamento con un manto tradizionale di erba artificiale con intaso di granuli di gomma nera (“convenzionale”). Il progetto tradizionale consisteva in un sottofondo di 10 cm di granulato lavico su un letto di sabbia, un manto erboso artificiale con supporto in lattice e un riempimento di 10 mm di sabbia e 30 mm di gomma nera;
• una parcella di erba naturale irrigata per capillarità (“erba naturale”). L’appezzamento in erba naturale consisteva in uno strato di accumulo e drenaggio dell’acqua di 85 mm con cilindri in fibra capillare, ricoperto da uno strato di 30 cm di terreno piantato con erba naturale pre-coltivata.

Le condizioni di drenaggio e stoccaggio dell’acqua hanno determinato condizioni di crescita ottimali per l’erba naturale.

Ognuno dei 4 appezzamenti era equipaggiato con adeguati strumenti di rilevazione (termometri, radiometri, ecc.) variamente posizionati.

L’esperimento è stato condotto nei mesi estivi del 2020.

Durante questi periodi sono state riscontrate grandi differenze di temperatura superficiale tra i punti di misurazione. Il manto artificiale convenzionale con riempimento in SBR ha raggiunto le temperature superficiali più elevate, fino a 67,7°C. Ci sono stati diversi giorni in cui la temperatura superficiale ha superato i 50°C, con potenziali problemi di salute. L’erba naturale ha registrato la temperatura superficiale massima più bassa, pari a 46,8°C. Le parcelle in erba artificiale raffreddata avevano temperature superficiali più elevate rispetto all’erba naturale, ma molto più basse rispetto all’erba artificiale convenzionale.

Il 25 giugno, più o meno nel mezzo dell’ondata di caldo di giugno, l’erba artificiale standard raffreddata ha raggiunto una temperatura di 37°C, mentre l’erba artificiale convenzionale ha raggiunto 62,5°C, il che significa che c’era una differenza di oltre 25°C. La temperatura superficiale dell’erba artificiale raffreddata era superiore di soli 1,7°C rispetto a quella dell’erba naturale (35,3°C).

Nel primo grafico le temperature rilevate sulle superfici di diverso tipo durante il periodo tra giugno e settembre 2020; e sotto, in dettaglio, i due periodi più caldi.

Altre elaborazioni dei dati raccolti mostrano che la temperatura superficiale è fortemente correlata alla radiazione in entrata, ed è inoltre correlata alle differenze di evaporazione.

Per attenuare gli effetti negativi dell’isola di calore urbana, la riduzione delle temperature notturne è di fondamentale importanza. L’erba artificiale convenzionale ha mostrato temperature costantemente più alte durante il giorno e la notte, mentre i sistemi di erba artificiale raffreddata si sono raffreddati fino al livello dell’erba naturale. Anche se le differenze erano minime, questa può essere considerata una prima indicazione della riduzione del contributo dell’isola di calore urbana durante la notte grazie ai sistemi di erba artificiale raffreddata.

Anche le unità di stoccaggio dell’acqua sotto il campo hanno svolto un ruolo importante nella gestione della disponibilità idrica. Immagazzinando l’acqua piovana, si è ridotto il drenaggio fuori sede e l’acqua è rimasta disponibile per il raffreddamento per evaporazione.

L’erba artificiale convenzionale ha drenato la maggior parte delle precipitazioni, poiché solo il 13,8% dell’acqua è stata immagazzinata ed evaporata. L’erba artificiale non infill raffreddata ha immagazzinato l’83,8% delle precipitazioni, che è stato utilizzato per il raffreddamento evaporativo. L’appezzamento con l’erba artificiale infill standard ha immagazzinato ed evaporato una quantità d’acqua leggermente inferiore (69,6%). Questa differenza era visibile anche nell’evaporazione effettiva misurata, con l’eccezione di un periodo di agosto in cui l’evaporazione era più alta nell’appezzamento raffreddato standard. Non è stato necessario riempire nuovamente il sistema di stoccaggio dell’acqua sub-superficiale utilizzato.

Correlazione tra la temperatura e l’energia solare incidente.

Conclusioni

Le differenze di temperatura tra le parcelle corrispondono ai risultati di altri studi che hanno rilevato temperature superficiali significativamente più elevate per l’erba artificiale rispetto all’erba naturale. La temperatura superficiale molto elevata dell’erba artificiale convenzionale può essere spiegata dalla costruzione dell’appezzamento convenzionale, con un sottofondo di 10 cm di granulato lavico su un letto di sabbia, un tappeto in erba artificiale con supporto in lattice e un riempimento di 10 mm di sabbia e 20 mm di gomma nera.

Gli studi hanno indicato che il tipo di intaso ha un effetto significativo sulla temperatura della superficie e che l’intaso in granulato di gomma nera raggiunge le temperature più elevate. I risultati dell’erba artificiale convenzionale devono quindi essere considerati come il caso peggiore. Il Penn State’s Center for Sports Surface Research ha concluso che, sebbene siano state riscontrate differenze tra gli intarsi, nessuna delle combinazioni ha portato a una riduzione sostanziale della temperatura della superficie rispetto all’intaso in gomma nera. Quindi, le differenze tra l’erba artificiale raffreddata e altri tipi di manti erbosi convenzionali saranno probabilmente minori, ma l’evaporazione superficiale alimentata per capillarità porterà comunque a una riduzione sostanziale della temperatura superficiale.

Oltre alle differenze di temperatura superficiale, si sono verificati anche effetti sulla temperatura dell’aria sopra ogni parcella. La temperatura dell’aria a 75 cm sopra l’erba naturale è stata vicina o addirittura inferiore alla temperatura ambiente misurata durante alcuni giorni. In questi giorni l’energia solare viene utilizzata prevalentemente per l’evapotraspirazione e non per riscaldare la superficie o lo strato d’aria sovrastante.

Nell’appezzamento di erba artificiale convenzionale, invece, la temperatura dello strato d’aria sopra l’appezzamento è più calda della temperatura ambiente. Questo dato è in linea con le osservazioni effettuate nei campi sportivi dell’Università di Hong Kong. È interessante notare che lo strato d’aria sopra l’erba artificiale convenzionale è rimasto più caldo anche durante le ore notturne, mentre sopra l’erba naturale e l’erba artificiale raffreddata la temperatura dello strato d’aria è diventata uguale alla temperatura ambiente. È stato tuttavia difficile determinare quanto siano significative queste differenze di temperatura dell’aria, data la scala ridotta delle parcelle (5×5 m) e la loro vicinanza ad aree pavimentate ed edifici. Quando si implementa l’erba artificiale raffreddata su campi sportivi reali, è probabile che gli effetti siano maggiori. Questa rimane un’area di ricerca da approfondire.

Anomalie termiche superficiali rielvate sulla città di Milano dal satellite Landsat il 1 agosto 2018 e il 25 agosto 2016.

Per ottenere temperature superficiali più basse negli impianti sportivi in erba artificiale, il sistema ha bisogno di sufficiente acqua per evaporare. Durante l’estate del 2020, nel luogo in cui si è svolto l’esperimento sul campo, le precipitazioni sono state sufficienti (262,8 mm) per mantenere l’evaporazione richiesta senza irrigazione. In climi più secchi questo potrebbe non essere il caso, e quindi sarebbe necessaria l’irrigazione. Tuttavia, questo è anche il caso dell’erba naturale e dell’erba artificiale convenzionale che ha bisogno di essere irrigata per raffreddarsi. I risultati hanno dimostrato che le temperature superficiali dell’erba artificiale irrigata per capillarità possono essere controllate utilizzando meno acqua rispetto all’erba naturale, ma questi risultati dipendono molto dal clima. Sulla base di questo studio non è possibile quantificare quale tipo di campo e di design sia più sensibile all’acqua in altre situazioni. Ci sono molti sviluppi nella produzione di sistemi di erba artificiale che possono aiutare a ottimizzare l’uso dell’acqua capillare dei campi raffreddati, utilizzando diverse altezze del sistema, diversi materiali per i filati e i supporti, o altri riempimenti. Sono necessarie ulteriori ricerche per trovare le combinazioni migliori per ogni clima e per le condizioni di gioco desiderate.

L’investimento necessario per un campo raffreddato standard è superiore a quello per un campo convenzionale. Questo investimento, tuttavia, consente al campo di diventare parte del regime di gestione dell’acqua in loco e di creare un campo più fresco e sicuro per gli atleti, basato sull’evaporazione naturale dell’acqua piovana trattenuta (anziché drenata). La longevità e il regime di manutenzione del campo stesso dovrebbero essere paragonabili a quelli di altri campi in erba artificiale con riempimento di sabbia. Spetta al proprietario del campo determinare la quantità di infrastrutture di monitoraggio e controllo necessarie. Questa può variare dal monitoraggio di base del livello dell’acqua e, se necessario, dal riempimento automatico in caso di siccità, fino alla rilevazione e alla segnalazione in linea completamente controllata da un algoritmo.

La ricerca originale è stata pubblicata in: “Climate adaptive solution for artificial turf in cities: integrated rainwater storage and evaporative cooling”.

Marjolein H. J. van Huijgevoort, Dirk Gijsbert Cirkel (KWR Water Research Institute, Nieuwegein, Netherlands); Joris G. W. F. Voeten (Environmental Sciences Group, Wageningen University & Research, Wageningen, Netherlands) – PUBLISHED 09 July 2024 in “Frontiers in Sustainable Cities”

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