Mappe qualità dell’aria in tempo reale

In questo articolo illustreremo le mappe in tempo reale per la qualità dell’aria nel Mondo, in Europa ed in Italia. La cosa non è difficile, perché in realtà attualmente ne esistono solo un paio significative: il World Air Quality Index, che ha il pregio di uniformare gli indici di qualità dell’aria dei vari Paesi (che sono quasi tutti diversi), rendendoli quindi confrontabili fra loro; e la mappa Che aria tira? per l’Italia.

Può stupire che l’unica vera mappa in tempo reale della qualità dell’aria nel nostro Paese sia realizzata con stazioni fisse non delle ARPA ma di un progetto di “citizen science” di alto livello, ma in realtà una cosa simile è accaduta alla fine degli anni Novanta nel campo della sismologia, quando l’INGV sul proprio sito non dava informazioni in tempo reale sulla magnitudo dei terremoti appena avvenuti, in quanto la sua rete era vecchia (la “sala sismica” di Roma aveva ancora I “rulli” per registrare i sismogrammi).

Ma, nel 1998, nacque in Italia una rete di sismografi elettronici low-cost creata da degli abili e lungimiranti dilettanti – chiamata IESN (Rete Sismica Sperimentale Italiana) e tuttora esistente – che dava in tempo reale sul web sia la magnitudo che i sismogrammi delle varie stazioni sparse per l’Italia. Ciò “costrinse” l’INGV a fornire, qualche anno dopo, informazioni analoghe in tempo reale, anticipando una transizione al mondo digitale e real-time che sarebbe comunque stata, prima o poi, inevitabile.

 

MONDO (Usa, Europa, etc.)

Il World Air Quality Index è un’innovativa mappa interattiva ed in tempo reale, nata nel 2015 grazie a un gruppo di ambientalisti cinesi, che rivela quanto inquinata sia una specifica zona del globo terrestre compresa in uno dei 68 Paesi monitorati, basandosi sui dati forniti in tempo reale dalle varie Agenzie nazionali per la Protezione dell’Ambiente. Gli ideatori della mappa stanno lavorando arduamente per monitorare anche le zone attualmente non coperte dal sistema.

La mappa interattiva mostra, nel valore mostrato in corrispondenza di ciascuna stazione fissa di misura, la quantità di particolato fine (PM2,5) nell’aria, dato che questa è una miscela di sostanze altamente inquinante, capace di aggredire il corpo umano penetrando profondamente nei polmoni, per cui può causare varie patologie alle vie aeree – come asma e bronchiti – e, sul più lungo termine, forme tumorali, attacchi cardiaci e ictus in forma prematura rispetto all’età del soggetto.

La mappa del World Air Quality Index, sito web che mostra la qualità dell’aria in tempo reale. Clicca qui per accedere subito alla mappa dell’indice per il mondo.

Inoltre, cliccando su una qualsiasi stazione della mappa, è possibile avere l’ultima lettura disponibile anche per altri inquinanti monitorati da quella determinata centralina: tipicamente, PM10, biossido di azoto (NO2), ozono (O3), biossido di zolfo (SO2), monossido di carbonio (CO), oltre a temperatura e umidità. Per tutti, sono mostrati i valori attuali, l’andamento nelle ultime 48 ore, i valori massimi, i valori minimi ed i valori medi, fornendo quindi un quadro completo della situazione.

Gli inquinanti in tempo reale (media oraria) misurati da una centralina vicino Valencia.

Al momento, nel mondo ci sono più di 20.000 stazioni di monitoraggio della qualità dell’aria note, di cui oltre 9.000 sono pubblicate sul progetto World Air Quality Index. Al fine di mantenere un alto livello di coerenza, vengono pubblicate solo le stazioni con valori di particolato PM2,5 / PM10. Lo standard dell’Indice di Qualità dell’Aria AQI per ogni singola stazione pubblicata è basato sullo standard “InstantCast” americano dell’EPA, e prevede 6 livelli di qualità dell’aria.

Il sistema NowCast è utilizzato dall’EPA statunitense per convertire le letture grezze degli inquinanti, espresse in μg/m3 o ppb, nell’Air Quality Index (AQI) statunitense, il quale ha una scala che va da 0 a 500. Viene utilizzato per tutti i valori dell’AQI riportati sul sito airnow.gov. Il concetto alla base del NowCast è di compensare in qualche modo la “media delle 24 ore”, che dovrebbe in teoria venire utilizzata quando si convertono le concentrazioni degli inquinanti nell’Indice di Qualità dell’Aria.

Il motivo di questa media è che la scala AQI specifica che ciascuno dei livelli di preoccupazione per la salute (cioè buono, moderato, non salutare, etc.) è in realtà valido per un’esposizione di 24 ore. Ad esempio, quando si vede un 188 AQI (Malsano), è necessario leggerlo come “se rimango fuori per 24 ore, e l’AQI è 188 durante quelle 24 ore, allora l’effetto sulla salute è Malsano”. Ciò è abbastanza diverso dal dire che “se l’AQI riportato ora è 188, l’effetto sulla salute è non salutare”.

Il problema è che la media delle 24 ore è una pessima idea e dovrebbe essere abolita almeno per due motivi. Innanzitutto, la dinamica dell’inquinamento atmosferico è tale che il vento non pulisce completamente l’aria in meno di 30 minuti! Quando ciò accade, nessuno vuole aspettare 24 ore prima di sapere che la qualità dell’aria è buona (e andare, ad esempio, a fare una passeggiata!). La seconda ragione è quando la qualità dell’aria peggiora improvvisamente. In tali circostanze, l’AQI può andare da sotto i 50 a più di 150 in appena un’ora. Ciò fa sì che molte persone asmatiche / sensibili avvertano problemi quando i siti ufficiali forniscono ancora solo letture medie di 24 ore.

Questi sono i motivi per cui l’EPA statunitense ha introdotto il sistema NowCast: si tratta di una formula di conversione alternativa utilizzata proprio per controbilanciare il bisogno di fare la media in condizioni di qualità dell’aria variabili. In pratica, il NowCast viene calcolato dai dati di monitoraggio del particolato relativi alle 12 ore più recenti, ma quando i livelli degli inquinanti cambiano pesa i dati delle ore più recenti più pesantemente rispetto a una media ordinaria di 12 ore. Il NowCast viene utilizzato al posto della concentrazione di particolato media di 24 ore nel calcolo dell’AQI fino a quando non è stato monitorato un intero giorno di calendario con le concentrazioni orarie.

Il NowCast applicato all’Indice di Qualità dell’Aria di Pechino (Cina).

La formula di calcolo usata da NowCast è il frutto della ricerca basata sui livelli di qualità dell’aria negli Stati Uniti. Sebbene per gli USA fornisca un resoconto accurato delle condizioni attuali, potrebbe non essere il caso dell’Asia, dove la dinamica della Qualità dell’Aria è molto più forte. Per questo motivo, la formula NowCast dovrebbe venire adattata per ogni continente. Di conseguenza, la mappa del World Air Quality Index è basata sull’”Instant AQI” – o “InstantCast” – cioè su nessuna media.

Il livello da 0 a 50 indica una buona qualità dell’aria e nessun rischio per la salute umana. Il livello moderato, da 51 a 100, indica una qualità dell’aria accettabile ma che potrebbe causare alcuni problemi alle vie respiratorie in soggetti particolarmente sensibili all’inquinamento atmosferico. Il livello da 101 a 150 è considerato malsano per gli individui sensibili all’inquinamento atmosferico, che potrebbero arrivare a subire una serie di patologie respiratorie e devono dunque evitare di stare all’aperto.

Da 151 a 200, invece, il livello dell’aria è definitivamente pericoloso: tutti gli individui rischiano delle ripercussioni sulla propria salute a causa dell’inquinamento atmosferico. Dal livello 201 a 300 l’aria è così inquinata da costituire una situazione di emergenza per la popolazione nella zona pericolosa, che ha molte probabilità di essere colpita da qualche patologia. Dal livello 300 in su, lo stato di pericolo è allarmante e potenzialmente molto dannoso per tutta la popolazione di uno specifico luogo.

L’Indice di Qualità dell’Aria mostrato dal sito web World Air Quality Index.

I dati pubblicati sul World Air Quality Index sono in tempo reale e quindi non validati al momento della pubblicazione. Tuttavia, al fine di assicurare un alto livello di accuratezza per ciascuna valore dell’AQI, vengono usate diverse soluzioni di elaborazione ad apprendimento automatico. Ad esempio, la coerenza dei dati viene verificata, in tempo reale, con le stazioni vicine, consentendo di rilevare in automatico le stazioni di monitoraggio difettose e rimuoverle, se necessario, dalla mappa.

A febbraio 2017, erano disponibili sul World Air Quality Index informazioni in tempo reale sulla qualità dell’aria per oltre 9000 stazioni in 800 grandi città di 70 paesi, grazie all’enorme sforzo delle Agenzie di Protezione Ambientale di tutto il mondo (con l’eccezione italiana, come vedremo più avanti). La mappa seguente mostra la posizione delle stazioni di monitoraggio note, riferita al 2015:

La mappa delle stazioni di monitoraggio coperte dal World Air Quality Index (al 2015).

Poiché le Agenzie per la Protezione dell’Ambiente di tutto il mondo stanno continuamente sviluppando e aumentando la copertura delle stazioni di monitoraggio in tempo reale della qualità dell’aria, la mappa del World Air Quality Index viene regolarmente aggiornata con le nuove stazioni. Se dunque si è un’organizzazione o un dipartimento di un Ente con dati ufficiali sulla qualità dell’aria e si desidera pubblicarli sull’indice World Air Quality, basta consultare la relativa guida.

 

ITALIA (in tempo reale)

L’Italia è l’unico Paese “avanzato” per il quale il World Air Quality Index praticamente non mostra dati, eccetto che per poche stazioni (del CNR-ISAC e alcune della Lombardia) che forniscono in tempo quasi reale dati orari. Ciò, probabilmente, accade perché le stazioni delle ARPA non forniscono al pubblico dati se non quelli medi giornalieri del giorno prima – a differenza delle altre EPA del mondo – e dunque non avrebbero senso su una mappa che mostra l’Indice di Qualità dell’Aria in tempo (quasi) reale.

Non lasciatevi ingannare dalle apparenze: la quasi totalità delle centraline italiane che vedete nella figura  (quasi tutte ARPA) forniscono dati non in tempo reale bensì del giorno prima (!), e non medie orarie bensì giornaliere. Clicca qui per accedere subito alla mappa dell’Italia.

Nel 2016, gli unici due Paesi a fornire al World Air Quality Index medie sulle 24 ore degli inquinanti erano la Malesia ed il Brunei. Tutti gli altri Paesi forniscono dati orari non mediati, quindi quasi in tempo reale, i quali permettono la tutela della salute e di prendere decisioni semplici – come se il fare o meno una passeggiata o attività fisica all’aperto – sulla base dell’Indice di Qualità dell’Aria effettivo, non sulla base di previsioni basate su modelli che, in quanto tali, sono cosa diversa dalla realtà.

Pertanto, non potendo contare su dati in tempo reale da parte delle varie ARPA regionali italiane e dei relativi siti web – e nemmeno su quelli del World Air Quality Index, che si basa sui dati forniti dalle ARPA – attualmente l’unica mappa in tempo reale dell’inquinamento dell’aria in Italia è fornita dalla rete collaborativa di centraline “Che aria tira?”, operativa dal mese di ottobre 2017, che è uno dei migliori progetti di open science e di “citizen science” al mondo in questo campo.

Una delle aree coperte dalla mappa interattiva “Che aria tira?”, con l’inquinamento da PM2,5 e PM10 mostrato in tempo reale, a differenza delle centraline dell’ARPA.

Il nucleo iniziale della rete si è sviluppato nelle province di Firenze, Prato e Pistoia, poiché la rete è nata non solo per fornire informazioni in tempo reale sulla qualità dell’area in aree già piuttosto inquinate, ma anche per scoraggiare la costruzione di un inceneritore nella zona a nord di Firenze, con l’idea che “gli investitori realizzeranno che non è conveniente costruire un inceneritore in una zona dove la popolazione non dà tregua e ha gli strumenti per non delegare a nessuno la tutela della propria salute”.

Tuttavia, non è difficile prevedere una rapida espansione della rete “Che aria tira?” ad altre aree d’Italia. Infatti la rete – che ha richiesto un lavoro molto specialistico per affrontare al meglio alcuni delicati aspetti tecnici – è stata concepita per il monitoraggio da parte di cittadini e associazioni, tramite la costruzione di proprie centraline per la misurazione della qualità dell’aria, grazie a istruzioni rese pubbliche. Chi non è in grado di affrontare la costruzione, o ha fretta, può procurarsi dei kit low-cost.

Delle prime 15 centraline installate nell’ambito della rete “Che aria tira?”, praticamente tutte misurano il particolato fine (PM2,5) e le polveri sottili (PM10) con una precisione / risoluzione di 0,3 μg/mc, grazie a un sensore Nova SDS011 a tecnologia laser a rifrazione (scattering), e ad un controller che in molto centraline è l’Arduino WeMos D1 Mini, mentre nelle altre è il Raspberry PI 3B. Infine, il periodo di campionamento varia a seconda delle centraline, ma nella maggior parte dei casi è di 1 secondo.

Il sensore Nova SDS011 di PM2.5 e PM10 (a sinistra) e le caratteristiche tecniche (a destra) tipiche delle centraline fisse della rete di monitoraggio low-cost “Che aria tira?”.

Queste centraline, una volta montate secondo specifiche modalità, spediscono I dati ottenuti a una sofisticata piattaforma informatica realizzata ad hoc da dei professionisti, che provvede ad elaborare i dati raccolti ed a renderli pubblicamente fruibili, pur non volendo in alcun modo sostituirsi alla rete dell’ARPA della propria regione, che peraltro copre prevalentemente centri urbani, lasciando completamente scoperti paesini, zone rurali ed aree residenziali vicine a impianti inquinanti.

Nonostante la rete “Che aria tira?” sia nata da un’idea del locale Comitato “Mamme no inceneritore”, si tratta di un progetto che ha delle solide basi scientifiche e tecniche, essendo stato realizzato da un team di esperti che comprende, ad esempio, persone del Ninux Firenze per quanto riguarda la piattaforma informatica aperta ed autogestita (mappa, elaborazione dati, interfaccia web con il pubblico, etc.) e del FabLab di Firenze per la stampa in 3D del contenitore della centralina.

Inoltre, tutti i sensori delle centraline vengono testati e calibrati con una centralina di riferimento da un partner scientifico, la Società per l’epidemiologia e la prevenzione “Giulio A. Maccacaro”. Infine, 6 delle centraline della rete locale sono in realtà “golden sensors”, cioè centraline di alta qualità i cui dati vengono costantemente validati da un tecnico esperto per misurare il fondo di inquinamento locale e riscontrare eventuali anomalie o malfunzionamenti (nel qual caso i dati vengono scartati).

Uno dei numerosi grafici elaborati in automatico dalla piattaforma “Che aria tira?”. Il picco sulla destra corrisponde al giorno di Natale (riscaldamento e traffico maggiori).

Essendo poi un progetto “open”, il codice sorgente di tutti i software, la piattaforma stessa, ed i progetti delle centraline verranno pubblicati online, dove saranno liberamente scaricabili e modificabili. In questo modo, le persone o altri comitati possono appropriarsi delle tecniche e delle informazioni e riprodurre a propria volta l’iniziativa, favorendo una consapevolezza sempre maggiore dell’inquinamento, soprattutto in zone dove finora è rimasto “invisibile” perché lontane dalla rete ufficiale delle ARPA.

Il monitoraggio in tempo reale con una filosofia open source, che si espone onestamente a meccanismi di verifica dall’esterno ed a critiche costruttive, costituisce un valore aggiunto di trasparenza e un fattore di qualità innegabile. Inoltre, un progetto del genere permette oltre che di controllare lo stato attuale della qualità dell’aria e di valutare l’esposizione della popolazione, anche di acquisire una robusta base dati per verificare l’evoluzione nel tempo della situazione a livello locale.

 

Riferimenti bibliografici



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