The effect of urban morphology and vegetation on students' exposure to air pollution. the case of Milano (Italy)

Good air quality is an extremely valuable asset, and air pollution has become a major challenge faced by many cities. Unlike other climate elements such as temperature, air pollution levels are highly dynamic. The heterogeneous nature of urban air quality results in significant differences in exposure levels across different areas of a city. Many factors influence the concentration of air pollutants, with climatic conditions, the overall pollution levels in urban areas, and the proximity to pollution sources being the primary determinants. Additionally, human activities greatly influence the concentration, distribution, and movement of air pollutants. Besides, urban morphology and vegetation are proven to impact air pollution. Particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOX) are among the most common air pollutants in contemporary cities. Students, as a particularly vulnerable group, face higher health risks from prolonged exposure to air pollution. This is due to their proximity to pollution sources, higher physical activity levels compared to adults, and their faster breathing and metabolic rates, making them one of the most severely affected groups (X. He et al., 2021). Schools are a key urban space where most students spend their daily lives, and the urban morphology of schools and their surrounding environments significantly affects the air quality that students breathe. The core hypothesis of this research is that blocks with different urban morphology and vegetation characteristics have various impacts on the dispersion and deposition of air pollutants in school environments, thereby increasing or decreasing students’ exposure to air pollution. This research selects Porta Genova in southwest Milan (Municipality 6), where approximately 1,500 students reside, as the case study area. Multiple research methods are adopted, including field measurements, numerical simulations, and comparative analysis at the block scale. The aim is to understand how these five blocks, with different characteristics of urban morphology and vegetation affect the local students’ exposure to air pollution. This study first analyzes the urban morphology and vegetation at different scales, including block, street canyon, vegetation, and surface, with a focus on several key indicators such as building density, aspect ratio, average height of vegetation, and impervious ground surface fraction. Then, it measures and simulates the concentration distribution of particulate matter (PM2.5 and PM10) and nitrogen oxides (NOx) in schools and their surrounding environments. It explains how urban morphology and vegetation characteristics alters airflow patterns and pollutant distribution. Finally, we discuss how future urban planning can optimize urban morphology and vegetation to protect vulnerable population’s exposure to air pollution. In this study, urban morphology can result in up to 18.22% variation in pollutant concentration (PM10). Specifically, wind corridors are crucial for reducing air pollution concentrations within blocks. Building setbacks are effective in improving ventilation efficiency and lowering air pollution concentrations. Furthermore, school entrance areas experience high levels of air pollution exposure during afternoon dismissals, especially if located downwind in narrow street canyons, where pollution can intensify. Lastly, fully enclosed school gardens, squares, and community centers may experience higher air pollution concentrations than open spaces due to the impact of cavity zones behind buildings in the leeward area.

La buona qualità dell'aria è un bene estremamente prezioso, e l'inquinamento atmosferico è diventato una delle principali sfide affrontate da molte città. A differenza di altri elementi climatici come la temperatura, i livelli di inquinamento atmosferico sono altamente dinamici. La natura eterogenea della qualità dell'aria urbana comporta differenze significative nei livelli di esposizione tra le diverse aree di una città. Molti fattori influenzano la concentrazione degli inquinanti atmosferici, tra cui le condizioni climatiche, i livelli complessivi di inquinamento nelle aree urbane e la vicinanza alle fonti di inquinamento, che sono i principali determinanti. Inoltre, le attività umane influenzano notevolmente la concentrazione, la distribuzione e il movimento degli inquinanti atmosferici. La morfologia urbana e la vegetazione sono inoltre dimostrate essere fattori che incidono sull'inquinamento dell'aria. Il particolato (PM) e gli ossidi di azoto (NOX) sono tra i più comuni inquinanti atmosferici nelle città contemporanee. Gli studenti, in quanto gruppo particolarmente vulnerabile, affrontano maggiori rischi per la salute a causa dell'esposizione prolungata all'inquinamento atmosferico. Questo è dovuto alla loro vicinanza alle fonti di inquinamento, ai livelli di attività fisica più elevati rispetto agli adulti, e ai loro tassi di respirazione e metabolismo più rapidi, che li rendono uno dei gruppi più colpiti (X. He et al., 2021). Le scuole sono uno spazio urbano chiave dove la maggior parte degli studenti trascorre la propria vita quotidiana, e la morfologia urbana delle scuole e degli ambienti circostanti influisce significativamente sulla qualità dell'aria che gli studenti respirano. L'ipotesi centrale di questa ricerca è che i blocchi con diverse caratteristiche di morfologia urbana e vegetazione abbiano vari impatti sulla dispersione e deposizione degli inquinanti atmosferici negli ambienti scolastici, aumentando o riducendo così l'esposizione degli studenti all'inquinamento atmosferico. Questa ricerca seleziona Porta Genova, a sud-ovest di Milano (Municipio 6), dove risiedono circa 1.500 studenti, come area di studio. Vengono adottati diversi metodi di ricerca, tra cui misurazioni sul campo, simulazioni numeriche e analisi comparative a scala di isolato. L'obiettivo è comprendere come questi cinque isolati, con diverse caratteristiche di morfologia urbana e vegetazione, influenzino l'esposizione all'inquinamento atmosferico degli studenti locali. Lo studio analizza prima la morfologia urbana e la vegetazione su diverse scale, inclusi l'isolato, il canyon stradale, la vegetazione e le superfici, con un focus su diversi indicatori chiave come la densità edilizia, il rapporto d'aspetto, l'altezza media della vegetazione e la percentuale di superficie impermeabile. Successivamente, misura e simula la distribuzione delle concentrazioni di particolato (PM2.5 e PM10) e ossidi di azoto (NOx) nelle scuole e nei loro ambienti circostanti. Viene spiegato come la morfologia urbana e le caratteristiche della vegetazione modifichino i modelli di flusso d'aria e la distribuzione degli inquinanti. Infine, si discute su come la pianificazione urbana futura possa ottimizzare la morfologia urbana e la vegetazione per proteggere le popolazioni vulnerabili dall'esposizione all'inquinamento atmosferico. In questo studio, la morfologia urbana può causare una variazione fino al 18,22% nella concentrazione di inquinanti (PM10). In particolare, i corridoi del vento sono cruciali per ridurre le concentrazioni di inquinamento atmosferico all'interno degli isolati. Gli arretramenti degli edifici sono efficaci nel migliorare l'efficienza della ventilazione e nel ridurre le concentrazioni di inquinamento atmosferico. Inoltre, le aree di ingresso delle scuole sperimentano alti livelli di esposizione all'inquinamento atmosferico durante le uscite pomeridiane, soprattutto se situate sottovento in canyon stradali stretti, dove l'inquinamento può intensificarsi. Infine, i giardini scolastici completamente chiusi, le piazze e i centri comunitari possono sperimentare concentrazioni di inquinamento atmosferico più elevate rispetto agli spazi aperti a causa dell'effetto delle zone di cavità dietro gli edifici nell'area sopravvento.