Ricerche di base collaborative legate all’aria

I monitor ambientali personali – come descritto in altri articoli di questo sito – misurano la qualità dell’aria e altri dati ambientali, e trasmettono tali informazioni a utenti che altrimenti non avrebbero idea di cosa respirino. Armati di tali informazioni, chi li indossa può cercare aria più pulita spostandosi da una certa strada o aprendo la finestra in una stanza segnalata come “inquinata” dall’apparecchio.

L’esposizione personale, infatti, è difficile da misurare e per molti individui gli effetti negativi sulla salute spesso non si vedono se non dopo molti anni di esposizione cumulativa. Inoltre, la mancanza di un rilevamento a grana fine aggiunge un livello di complessità al problema, in quanto le grandi aree urbane sono spesso monitorate solo da un piccolo numero di centraline di misurazione fisse.

Questi pochi sensori possono fornire una base per l’esposizione individuale, ma spesso non sono rappresentativi dell’inquinamento dell’aria sperimentato a livello stradale. Attraverso i sistemi di misurazione di qualità dell’aria mobili, gli utenti possono monitorare la propria esposizione per uso personale e per la condivisione con le proprie comunità locali ed i social network.

Ma questi dispositivi portatili possono avere ancora più utilità su scala macro, perché forniscono una quantità enorme di dati, mai disponibili prima, agli scienziati che li usano per mappare la nostra esposizione in continua evoluzione a qualsiasi cosa: dagli inquinanti ai raggi UV o, nell’ambito di progetti specifici, altri parametri ambientali o fisiologici (ad esempio, per valutare l’impatto sulla salute).

Alcuni ricercatori, ad esempio, usano i monitor personali per fare ricerche di epidemiologia ambientale in parallelo alla misura ed alla mappatura collaborativa dell’inquinamento atmosferico, in modi dunque che prima erano impossibili. Ciò può aiutare gli scienziati a capire e ad affrontare i problemi nei luoghi dove maggiormente arrecano danno alle persone, ed i decisori politici a fare le loro scelte.

Ecco alcuni esempi di progetti di ricerca reali legati all’aria resi possibili dai sensori mobili:

iSPEX

Disponibile solo per iPhone, iSPEX è un sistema concepito principalmente per la misurazione da terra degli aerosol nell’atmosfera terrestre: per farlo è necessario semplicemente avere il componente aggiuntivo (o add-on) iSPEX e l’app omonima. iSPEX-EU fa parte di LIGHT2015, un progetto finanziato attraverso il programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea.

L’add-on usato da iSPEX e come funziona. (fonte: iSPEX)

Gli aerosol atmosferici sono particelle atmosferiche abbastanza piccole da essere invisibili all’occhio umano, ed influenzano le nostre vite in molti modi: costituiscono una delle maggiori incertezze nelle attuali stime dei cambiamenti climatici; quelle più piccole di 10 μm passano attraverso la gola e il naso e penetrano nei polmoni; infine, le particelle di cenere vulcanica rappresentano un grave pericolo per gli aerei.

L’app iSPEX istruisce i partecipanti a scansionare il cielo senza nuvole mentre la fotocamera integrata del telefono scatta le foto attraverso l’add-on. Ogni immagine acquisita tramite l’add-on iSPEX contiene informazioni sullo spettro e sulla polarizzazione lineare della luce solare diffusa dalla combinazione di molecole e aerosol nell’atmosfera: più aerosol sono presenti, minore è il blu e il cielo polarizzato.

Con iSPEX, basta fare clic su un componente aggiuntivo sul telefono, davanti alla sua fotocamera principale, e si trasforma il telefono in un sensore ottico. L’add-on iSPEX è infatti uno “spettropolarimetro” che, in combinazione con la fotocamera del telefono, consente di acquisire la funzionalità di sensore, nonché la capacità di calcolo e di comunicazione necessaria per misurare gli aerosol atmosferici.

iSPEX è stato sviluppato basandosi sui principi di misurazione del suo fratello maggiore: lo Spectropolarimeter for Planetary Exploration, o semplicemente SPEX, uno strumento altamente sofisticato costruito per l’osservazione di altri pianeti e delle loro atmosfere. A differenza di SPEX, iSPEX è semplice e progettato per essere disponibile e utilizzato da migliaia di persone.

I dati raccolti con iSPEX – spettro e polarizzazione in funzione dell’angolo di diffusione dal sole – forniscono informazioni uniche sulle proprietà dell’aerosol, compresa la quantità di aerosol, la distribuzione delle dimensioni delle particelle e la composizione chimica. Questo tipo di informazioni è fondamentale per valutare l’impatto degli aerosol atmosferici sull’ambiente e sulla salute.

Dopo ogni misurazione, l’app visualizza il risultato preliminare, un codice cromatico qualitativo della condizione del cielo su una mappa live, sia nell’app che nel sito web del progetto. I dati vengono quindi elaborati e ulteriormente analizzati dal team di iSPEX per ottenere mappe di informazioni sugli aerosol basate su iSPEX. Dunque, anche i normali cittadini possono fare scienza.

La mappa live nel sito web di iSPEX.

iSPEX consente, a chiunque sia adatto allo smartphone appropriato, di misurare gli aerosol atmosferici in qualsiasi luogo del mondo in qualsiasi ora del giorno. Sebbene una singola misurazione di iSPEX possa non essere accurata, una raccolta di molte misurazioni di iSPEX può fornire alla comunità di r8icercatori delle informazioni di valore scientifico con la precisione appropriata.

Come tale, iSPEX può fornire maggiori informazioni sugli aerosol atmosferici di quelli attualmente disponibili. Sono queste caratteristiche che rendono iSPEX non solo un modo divertente per chiunque di apprendere la scienza degli aerosol atmosferici e il loro impatto sulla nostra vita quotidiana, ma anche di dare allo stesso tempo un prezioso contributo alla continua ricerca su di essi.

 

Breathe

L’attuale metodo utilizzato per misurare l’inquinamento atmosferico nelle città ed i suoi effetti sulle persone è mettere un centralina fissa per l’inquinamento atmosferico da qualche parte nella città e assumere che tutti siano esposti a quel livello di inquinamento atmosferico. Tuttavia sappiamo che c’è una grande variabilità, con livelli di inquinamento ad es. molto più alti vicino alle strade.

Le persone si muovono per la città possono venire monitorate non solo dando loro un piccolo sensore di inquinamento atmosferico, per vedere quali sono i livelli di inquinamento dell’aria dove trascorrono il loro tempo e calcolare così una sorta di “dose assorbita” nel tempo, ma anche, grazie a uno smartphone, per quanto riguarda la posizione e ad es. l’attività fisica (con l’app CalFit o similari).

È quanto hanno fatto Mark Nieuwenhuijsen ed i suoi colleghi del Centro di Ricerche di Epidemiologia Ambientale, sito a Barcellona: hanno dotato 50 scolari di smartphone che monitoravano la loro posizione e attività fisica e di un rilevatore portatile microAeth per monitorare continuamente i livelli di black carbon dell’aria, un componente chiave dell’inquinamento fuligginoso.

La strumentazione portatile usata dai volontari per il progetto di ricerca Breathe.

Il microAeth è una versione tascabile dei grandi monitor di aerosol di black carbon, per la misurazione dell’esposizione personale a tale inquinante. Esso raccoglie campioni d’aria su un filtro in fibra di vetro rivestito di Teflon ed esegue un’analisi del livello di black carbon in tempo reale misurando i cambiamenti nella velocità di assorbimento della luce passata attraverso il campione.

Lo studio in questione, chiamato BREATHE e pubblicato nel 2015 sulla rivista Environmental Science & Technology, ha esaminato il grado in cui l’esposizione delle persone all’inquinamento varia durante il giorno e ha verificato quanto i modelli tradizionali di stima dell’inquinamento (a casa, a scuola e nel tratto che va da casa a scuola e viceversa) corrispondano alla nostra esperienza effettiva.

Lo studio si è concentrato sul black carbon come indicatore di inquinamento atmosferico legato al traffico. Per 2 giorni della settimana, ai bambini è stato fornito uno smartphone con software CalFit per avere informazioni sulla loro posizione e livello di attività fisica e un piccolo sensore – il modello di microAeth AE51 – per misurare i loro livelli di black carbon simultaneamente e continuamente.

I ricercatori hanno stimato la loro esposizione domestica e scolastica sull’assorbanza del filtro PM2,5, che è ben correlata con il carbonio nero, ed hanno rilevato una considerevole variazione dei livelli di black carbon durante il giorno, con i livelli più alti misurati durante i periodi di pendolarismo (media geometrica = 2,8 μg/m3) e i livelli più bassi a casa (media geometrica = 1,3 μg/m3).

La correlazione tra le stime dei livelli di black carbon ricavate dai modelli e quelli effettivamente misurati è stata generalmente buona, tranne durante i periodi di pendolarismo. I livelli personali di black carbon variano in misura sostanziale durante il giorno. In conclusione, le nuove tecnologie – come smartphone e sensori – forniscono utili informazioni sull’esposizione personale all’inquinamento atmosferico.

 

Daphne

Il progetto “Delhi Air Pollution: Health and Effects” (DAPHNE) riunisce i migliori ricercatori appartenenti a ben 9 Università dell’India e del Regno Unito per affrontare il problema pressante degli effetti sulla salute dell’esposizione prolungata a livelli elevati di inquinamento atmosferico.

Lo farà monitorando per 4 anni la qualità dell’aria con l’ausilio di piccoli sensori collegati al corpo per scoprire la quantità di sostanze inquinanti che un’abitante di Delhi inala ogni giorno. I ricercatori utilizzeranno dei monitor respiratori alimentati a batteria – noti come “Respecks” – e dei monitor per l’inquinamento atmosferico, chiamati invece “AIRSpecks”.

Delhi, in India, è una delle città più inquinate del mondo.

“Gli” Speck “sono piccoli dispositivi che possono essere posizionati su oggetti di uso quotidiano e persone, al fine di rilevare, calcolare e comunicare dati. Nel progetto DAPHNE, questi sensori trasmetteranno dei dati di ogni persona al proprio telefono cellulare attraverso una tecnologia wireless, consentendo all’utente di monitorare la propria esposizione individuale all’inquinamento.

Il progetto DAPHNE coinvolge 760 donne in gravidanza, che indosseranno i monitor per l’inquinamento atmosferico attaccati come cerotti adesivi e gli scienziati registreranno la salute delle madri e dei loro figli dopo la nascita. I ricercatori si concentreranno inoltre su 360 giovani asmatici al fine di esaminare il livello di esercizio che possono tollerare in mezzo all’inquinamento atmosferico.

Il progetto fornirà anche versioni più grandi degli stessi tipi di monitor, con sensori aggiuntivi per misurare le concentrazioni di biossido di azoto e ozono. Questi saranno attaccati ai lampioni a energia solare per creare un rete di monitor per misurare i livelli di inquinamento atmosferico su Delhi. I dati verranno inviati a un server tramite la rete dei cellulari e saranno condivisi con i partecipanti allo studio.

Le informazioni consentiranno agli utenti di trovare il percorso più pulito e più breve tra i luoghi della città sulla base di informazioni aggiornate, personalizzate in base alle loro condizioni. Infatti, Delhi –  la capitale della nazione – ha un elevato livello di inquinamento dell’aria, che ha raggiunto molte volte il limite di sicurezza, spingendo il governo locale a dichiarare una situazione di emergenza.

Lo “Speckled Computing” è una tecnologia che è stata sperimentata dagli scienziati dell’Università di Edimburgo. I dispositivi sono stati sviluppati presso il Center for Speckled Computing della School of Informatics presso l’Università di Edimburgo. Essi permettono ai ricercatori di condurre degli innovativi studi multidisciplinari su problemi sanitari globali ad alta priorità.

Il team multidisciplinare di ricercatori – inclusi scienziati informatici, medici ed esperti di inquinamento –  guidato dall’Università di Edimburgo, esaminerà i collegamenti tra esposizione a lungo termine all’inquinamento atmosferico e la salute. Questa ricerca innovativa, finanziata dai consigli di ricerca britannici, potrà alla fine aiutare milioni di persone a Delhi e in altre città del mondo.

 

Riferimenti bibliografici

• Ispex, http://ispex-eu.org/it/
• Citizens measure air pollution with their smartphone, https://light2015blog.org/2015/09/18/citizens-measure-air-pollution-with-their-smartphone/
• iSPEX goes Europe: citizens measure air pollution with smartphone, http://www.rivm.nl/en/Documents_and_publications/Common_and_Present/Newsmessages/2015/iSPEX_goes_Europe_citizens_measure_air_pollution_with_smartphone
• Citizen scientists map air pollution with smartphones, http://ec.europa.eu/environment/integration/research/newsalert/pdf/citizen_scientists_map_air_pollution_with_smartphones_405na2_en.pdf
• Snik et al., “Mapping atmospheric aerosols with a citizen science network of smartphone spectropolarimeters”, scientific paper, Geophysical Research Letters, 2014, doi: 10.1002/2014GL061462.
• Land-Zandstra et al., “Citizen science on a smartphone: Participants’ motivations and learning”, Public Understanding of Science, 1-16, 2015, doi: 10.117709636625125602406.
• With Wearable Devices That Monitor Air Quality, Scientists Can Crowdsource Pollution Maps, https://www.smithsonianmag.com/innovation/with-wearable-devices-that-monitor-air-quality-scientists-can-crowdsource-pollution-maps-180954556/
• Variability in and Agreement between Modeled and Personal Continuously Measured Black Carbon Levels Using Novel Smartphone and Sensor Technologies, http://pubs.acs.org/stoken/presspac/presspac/abs/10.1021/es505362x
• MicroAeth Family, https://aethlabs.com/microaeth
• Delhi air pollution study will use body sensors to map air quality, http://indianexpress.com/article/technology/science/study-of-delhi-air-pollution-to-use-body-sensors-to-map-air-quality-4971131/
• Delhi Air Pollution: Health aNd Effects (DAPHNE), http://gtr.rcuk.ac.uk/projects?ref=NE%2FP016340%2F1
• The AirSpeck Family of Static and Mobile Wireless Air Quality Monitors, http://ieeexplore.ieee.org/document/7723555/