Monitoraggio dell’aria inquinata: i 5 approcci

L’inquinamento atmosferico è un problema globale, specialmente nelle nazioni che si sviluppano rapidamente, ma è un vero e proprio incubo per i Paesi – come da esempio l’Italia – che hanno livelli elevato di inquinamento ma non dispongono di una rete di centraline di rilevamento della qualità dell’aria sufficientemente fitta per le reali esigenze, neppure a livello nazionale.

Ma, prima che i Paesi possano affrontarlo, devono essere in grado di misurarlo e questo compito all’apparenza semplice si è rivelato sorprendentemente difficile. Ora, però, le cose stanno rapidamente cambiando ed alle reti nazionali di centraline presenti nei vari Paesi si stanno affiancando diverse possibilità di monitoraggio alternative, che permettono di rendere visibile un inquinamento che alla reti di rilevamento nazionali risulta “invisibile”, in quanto esse sono “a maglie larghissime”.

Non sorprende, quindi, che persino i Paesi e le città più ricche abbiano oggi una conoscenza molto limitata dell’inquinamento atmosferico su scala iperlocale e sui relativi modelli. Questo perché le modalità tradizionali di misurazione della qualità dell’aria cercano di misurare il livello di fondo in pochi punti spesso non rappresentativi: non sono quindi ottimizzate per il monitoraggio dell’esposizione quotidiana o personale all’inquinamento, e spesso nemmeno per il monitoraggio in tempo reale.

Ecco, in sintesi, quali sono oggi i 5 principali approcci per il monitoraggio dell’inquinamento dell’aria, che vengono illustrati in dettaglio in altrettanti articoli di questo sito:

Rete nazionale ARPA

I sensori fissi a terra misurano l’aria “dove la gente vive e respira”, ma il loro numero totale e la scelta dei posti in cui collocarli sono cruciali nel determinarne l’efficacia. D’altra parte, più i sensori usati sono stabili e precisi, più le singole misurazioni sono significative e meno importante è la densità delle misure.

Un esempio di sensori per il particolato della rete ARPA. (fonte: ARPA)

Inoltre, i sofisticati sensori utilizzati dalle reti di rilevamento nazionali sono molto costosi (si parla di svariate migliaia di euro) e non possono rappresentare con precisione neppure l’inquinamento di un’intera città perché il flusso d’aria, i microclimi ed il livello degli inquinanti differiscono da un quartiere all’altro; anzi, oggi sappiamo che quest’ultimo differisce fino a 8 volte perfino da una strada all’altra.

La rete delle ARPA è organizzata a livello regionale: ad esempio, l’intero Piemonte ha 68 stazioni (o “centraline”) fisse. La maggior parte sono collocate nei principali centri urbani di una data Regione. Tanto per dare un’idea, però, della densità di stazioni auspicabile, la sola città di New York ha ben 17 stazioni fisse per misurare la qualità dell’aria e stabilire se essa è conforme al Clean Air Act.

Perciò, l’Indice di Qualità dell’Aria per l’Italia ( IQA o MonIQA) e le mappe “sintetiche” della qualità dell’aria fornite dai vari siti meteo – basate su modelli che interpolano i dati relativi ai relativamente pochi punti in cui hanno sede stazioni della rete ARPA – sono di ridotta utilità lontano dalle centraline, dove forniscono solo un valore medio “fittizio” (per di più, del giorno prima) scollegato dalla realtà locale.

Satelliti ad alta risoluzione

Per i dati standardizzati sulla qualità dell’aria in tutto il mondo, gli scienziati si rivolgono ai satelliti. Nel cielo, i satelliti in orbita possono ad esempio eseguire il “ping” della superficie terrestre e misurare le polveri sottili, utilizzando lo stesso sensore per le misurazioni su tutto il pianeta.

Una mappa del particolato fine (PM2.5) a livello globale ricavata da dati satellitari.

Oltre alla misurazione globale della temperatura e delle polveri sottili, i satelliti consentono il monitoraggio di una varietà di inquinanti atmosferici: ozono (O3), monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2), ossido di azoto (NO), biossido di azoto (NO2), acido nitrico (HNO3), metano (CH4), formaldeide (HCHO), biossido di zolfo (SO2),ammoniaca (NH3), acqua pesante (HDO), aerosol, etc.

Naturalmente, non tutti i Paesi possono accedere a un satellite, e questi dati hanno i loro punti deboli: la copertura nuvolosa ed i riflessi brillanti di ghiaccio e neve possono rovinare le letture. I dati satellitari sono ottimi per generare misurazioni di base della qualità dell’aria, ma non così dettagliate nello spazio e nel tempo per poter misurare le fluttuazioni in tempo reale dell’inquinamento locale.

Altro lato negativo dei satelliti è che le misure fornite sono difficili da calibrare, per cui i confronti nel tempo o la determinazione dei valori assoluti misurati sono tutt’altro che semplici. Inoltre, a differenza dei sensori usati dalle stazioni a terra, i satelliti non misurano gli inquinanti direttamente: i dati che forniscono sono il frutto di una conversione dipendente da dei modelli teorici e dalla relativa accuratezza.

Reti emergenti “a maglia fine”

I sensori satellitari e quelli fissi a terra delle reti nazionali (come quella ARPA in Italia) hanno dei limiti che impediscono loro di fornire misurazioni accurate e aggiornate dell’inquinamento nei quartieri e nelle aree del Paese – ad esempio, vicino alle varie fonti inquinanti che lo fanno peggiorare – più esposte.

Ma una nuova generazione di piccoli sensori portatili ed economici sta per rivoluzionare le misurazioni dell’inquinamento sia per i Governi che per i cittadini. Sensori compatti di elevata affidabilità sono già stati testati per misurare la qualità dell’aria delle aree metropolitane degli Stati Uniti in tempo reale ed altri sono in corso di sviluppo sia nei Paesi avanzati, come ad es. la Germania, sia in quelli più poveri.

I sensori possono misurare il livello delle polveri sottili e/o quello di alcuni gas inquinanti, come ad esempio il biossido di azoto (NO2). Inoltre, possono essere di tipo fisso (già oggi disponibili), per essere applicati all’esterno di un edificio, oppure di tipo mobile, per poter effettuare le misure anche dai veicoli, in modo da avere mappature in tempo reale dell’inquinamento a livello di singole strade.

Il sensore da bici di gas inquinanti  (NO2 e altri) che sta sviluppando l’ENEA di Portici (NA).

Tali reti “intelligenti” costituite da sensori auto-calibrati grazie ai sensori vicini, vengono di solito sviluppate da Enti di ricerca o Università pubbliche, in quanto il loro scopo è integrare i dati raccolti in tempo reale con quelli delle reti nazionali di rilevamento e di “fonderli” con opportuni modelli di calcolo, in modo da fornire al pubblico ed ai media delle mappe dettagliate a livello iperlocale.

Reti collaborative private

Le reti collaborative private, in generale, non sono gestite o sviluppate da Governi o Enti pubblici bensì da strutture terze – in modo da garantire l’indipendenza dei dati raccolti – come ad es. avvenuto nel campo della misura dell’inquinamento radioattivo dopo l’incidente alla centrale nucleare di Fukushima.

Sono spesso gestite da sistemi open-source, come ad esempio la piattaforma Arduino per quanto riguarda l’hardware. I sensori sono solitamente di tipo commerciale, mentre esistono siti web open-source che creano mappe, per chi non volesse sviluppare un’interfaccia del tutto autonoma e originale. Un’ottima rete di centraline fisse low-cost ben calibrate è, in Italia, quella di “Che aria tira?”.

Il sensore (a sinistra) di PM2.5 e PM10 e le caratteristiche delle centraline di “Che aria tira?”

Esattamente come accade già per la misurazione dell’inquinamento radioattivo, dell’inquinamento acustico e dell’inquinamento luminoso, qualsiasi cittadino può acquistare uno o più sensori – fissi o eventualmente interfacciabili a uno smartphone – e diventare parte di una rete di misurazione indipendente in grado di realizzare un monitoraggio e delle mappe dell’inquinamento dell’aria a livello locale.

Collegando questi sensori a Internet, è dunque possibile raccogliere enormi serie di dati sulla qualità dell’aria nelle città o in aree di campagna, oppure vicino a impianti inquinanti, totalmente scoperte dalla rete ARPA. Aumentando il numero di sensori sul campo, inoltre, si aumenta il livello dell’accuratezza, poiché le letture da sensori vicini possono venire calibrate l’una nei confronti dell’altra.

Sensori isolati e/o centraline “fai-da-te”

Per avere informazioni sull’inquinamento dell’aria esterna nel posto in cui si vive o si lavora, è possibile integrare le informazioni delle mappe “a maglia stretta” – o supplire alla loro mancanza – acquistando dei “monitor” o sensori di qualità dell’aria per realizzare una “centralina personale”.

Questi monitor a basso costo sono di vari tipi, e possono essere acquistati sia sul mercato occidentale (Amazon) sia dalla Cina (ad es. su AliExpress, Alibaba o Banggood). Alcuni misurano il livello di alcuni gas specifici oppure hanno un sensore sensibile a più gas per misurare il livello di qualità dell’aria complessivo. Altri misurano il livello delle polveri sottili. I migliori misurano, ovviamente, entrambi.

Naturalmente, chi è appassionato di fai-da-te o di elettronica può divertirsi ad acquistare separatamente i sensori a bassissimo costo di gas e/o di particolato, unirli all’elettronica di amplificazione venduta nei medesimi siti web e infine leggere i valori misurati dal sistema con un comune tester da circa 15 euro o interfacciando il tutto a un PC, ad es. appoggiandosi a una semplice scheda programmabile Arduino (o Raspberry).

Uno dei numerosi sensori low-cost di particolato che abbiamo testato.

Tuttavia, i sensori del gas hanno una risposta che non è lineare, inoltre sono ben difficili da calibrati per un dilettante; mentre i sensori di particolato hanno “solo” bisogno della calibrazione e di un’opportuna elaborazione dei dati raccolti per poter ottenere grafici e valori di una qualche utilità. Ciò non è per tutti semplice. Pertanto, la strada delle centraline di qualità dell’aria “fai-da-te” è consigliabile soprattutto per chi vuole divertirsi e imparare di più sugli aspetti tecnici.

 

Riferimenti bibliografici

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