A caccia di inquinanti dell’aria con il fai-da-te

Vi sono vari possibili motivi per “andare a caccia” di inquinanti dell’aria con dei sensori (autocostruiti o acquistati online). I più ovvi sono l’imparare di più sugli inquinanti in una data zona e sui loro trend, e di proteggere la propria salute. Sapere ad es. che l’aria in certe strade o in certe zone è più inquinata – o che magari lo è in certi orari della giornata o in certe condizioni scoperte “misurando” – può aiutarci nelle nostre scelte.

Indipendentemente da motivo per cui agiate a livello individuale o nell’ambito di un gruppo, vi sono tre fasi ben precise che caratterizzano una “caccia” agli inquinanti dell’aria seria dal punto di vista scientifico: (1) l’impostazione di una campagna di misurazioni; (2) la raccolta delle misure fatta secondo certi criteri; (3) l’analisi e la comunicazione dei risultati raccolti. Eccole illustrate tutte e tre più in dettaglio:

 

Come impostare una campagna di misure

Prima di partire per la “caccia” agli inquinanti, è necessario stabilire a quali domande vogliamo trovare una risposta, per poi sviluppare un piano adeguato per la raccolta delle misure. Il piano in questione, per essere efficace, deve tenere conto dei seguenti fattori o aspetti:

• dimensioni del problema: come gli inquinanti possono cambiare nel tempo o da un posto all’altro;
• rete fissa di sensori o campagna mobile: la prima fornisce informazioni soprattutto nel tempo, la seconda soprattutto nello spazio, di conseguenza la seconda è di solito preliminare alla prima;
• chi, cosa, dove, quando e come effettuerà le misurazioni? Quali misurazioni sono necessarie? Per quanto tempo andranno effettuate? Come si dovranno prendere?
• Quali inquinanti monitorare: i più comuni inquinanti outdoor monitorati perché pongono un rischio potenziale per la salute della popolazione e sono regolati dalle normative di vari Paesi sono PM2.5, PM10, NO₂, SO₂, O₃, CO, COV (benzene, toluene, etc.);

I limiti di riferimento dei principali inquinanti atmosferici secondo la normativa italiana.

• il numero e la qualità dei sensori necessari: per esempio, la domanda troverà risposta più facilmente con un unico sensore potente e molto accurato (di solito parecchio costoso) oppure con una serie di sensori low-cost sparsi sul territorio che raccolgano dati meno accurati?
• le risorse necessarie e disponibili: in termini economici (budget) e di forza lavoro;
• raccolta e archiviazione dei dati: come i dati verranno raccolti (con lettura a mano, via Wi-Fi, in tempo reale, etc.) e archiviati (in forma elettronica, cloud, etc.);
• come garantire che i dati siano di buona qualità: test preliminari e successivi alla campagna di misurazione per la messa a punto o la verifica della calibrazione dei sensori;
• stima della percentuale di errore: i test citati in precedenza dovrebbero venire utilizzati anche per stimare anche la percentuale di errore che ci si aspetta dalle misurazioni;
• quali dati aggiuntivi sono necessari: ad esempio, sono di solito fondamentali anche i dati meteo, come temperatura e umidità, e spesso anche su intensità e direzione del vento a 10 m di altezza, o relativi ad altri inquinanti (ad es. nel caso vi siano inquinanti “primari” e “secondari”).

Il secondo passo è quello di individuare l’area di collocazione (nel caso di centraline fisse) oppure di utilizzo (nel caso di misurazioni con centraline mobili) dei sensori. Un’attenta pianificazione di questo aspetto permette di scoprire in anticipo eventuali problematiche evitando complicazioni in seguito.

Ecco alcuni fattori di cui tenere conto nel pianificare la collocazione o l’uso dei sensori:

• fondo di riferimento: evita le sorgenti puntiformi importanti (quali ad es. i grandi impianti) se ti interessa misurare il livello di fondo e, se ci sono grandi impianti o zone industriali vicine, colloca un sensore ad almeno 15 km da tutte queste sorgenti importanti al fine di stimare il livello di fondo;
• interferenza di altre sorgenti: per assicurare che i risultati delle misurazioni siano i più accurati possibili, il sensore o lo strumento dovrebbe venire collocato in un punto dove può misurare l’aria, o la sorgente che ci interessa, con la minima interferenza;
• interferenza di altri inquinanti: evita le sorgenti di gas che possono reagire con l’inquinante che ti interessa (ad es. l’ozono sparisce molto rapidamente se reagisce con certi composti organici quali gli ossidi di azoto provenienti dagli scarichi dei veicoli o da alcuni grandi impianti);
• rappresentatività del sito: un sensore ben collocato, o un’area ben scelta, forniranno misure che sono rappresentative della zona che ci interessa monitorare;
• rappresentatività degli inquinanti: alcuni inquinanti possono avere concentrazioni più elevate vicino a una sorgente specifica (ad es. l’acido solfidrico vicino agli impianti a biogas) mentre altri potrebbero non averle;
• popolazione vs. sorgente: se si vuole misurare l’impatto di una o più sorgenti sulla popolazione, il sensore andrà posto nelle zone in cui vivono le persone, se invece si vuole misurare le emissioni giornaliere ad es. di una sorgente industriale, va posto il più vicino possibile ad essa;
• analisi dei venti dominanti: sia intorno a sorgenti importanti, sia in aree urbane o rurali, occorre tenere conto dei venti dominanti, che possono incidere non poco sui risultati delle misurazioni, le quali, in caso di campagne con sensori mobili, vanno effettuate con venti assenti o molto deboli;

Un tipico grafico della rosa dei venti, per individuare i venti prevalenti.

• edifici e altri ostacoli: gli edifici e altre strutture naturali o artificiali potrebbero creare uno schermo, dando luogo a zone di accumulo degli inquinanti o, viceversa, di minore presenza al di là di essi, pertanto vanno tenuti in debito conto nella scelta dei luoghi in cui far operare i sensori;
• mappa dell’inquinamento: una volta analizzati tutti i fattori precedenti, si può stabilire la distribuzione ideale dei sensori per analizzare la distribuzione dell’inquinamento e averne una sorta di “mappa”, oppure ricavarla misurandolo a varie distanze dalla/e sorgente/i;
• distanze minime da osservare: colloca o usa il sensore – od i sensori, se si tratta di una rete – in modo che l’aria sia libera di circolare intorno ad esso. In pratica, assicurati che sia ad almeno 1-2 metri dal suolo e, se possibile, lontano almeno 1 metro dalle superfici degli edifici;
• uso appropriato dei monitor personali: questi apparecchi devono poter aver accesso all’aria che una persona sta inalando, pertanto non forniranno misure significative se vengono usati tenendoli in una borsetta, in tasca o all’interno di un’auto per misurare l’aria esterna;
• utilità di misurazioni preliminari: delle opportune misurazioni preliminari aiuteranno a individuare le aree da monitorare e quelle da evitare, in modo da concentrare i sensori o gli strumenti – o, nel caso di campagne mobili, gli spostamenti – dove effettivamente servono.

Facciamo un esempio per quanto riguarda, in particolare, l’interferenza fra inquinanti. Supponiamo di voler misurare quanto un’autostrada influenzi le concentrazioni di ozono e di particolato (PM). Dato che l’ozono vicino a un’autostrada reagisce con gli ossidi di azoto (NOx) emessi dagli scarichi dei veicoli, è probabile che il livello di particolato sia più alto nei punti adiacenti l’autostrada. Perciò entrambi gli inquinanti vanno misurati sia adiacenti l’autostrada, sia a distanze crescenti sottovento.

 

La fase di raccolta delle misure

Una volta definiti l’approccio alle misurazioni e individuata l’area di collocazione (nel caso di centraline o di utilizzo dei sensori, è ora di iniziare a raccogliere dei dati. Ciò non è così semplice come accendere un sensore e raccogliere delle misure: sarà infatti necessaria un’opportuna preparazione aggiuntiva prima e durante la campagna di raccolta dei dati vera e propria. Questa preparazione può includere:

Calibrazione del sensore

È consigliabile calibrare un sensore prima di raccogliere le misurazioni e ad intervalli periodici durante la raccolta delle misurazioni, per testare la risposta dello strumento alle variazioni delle concentrazioni. Una procedura di calibrazione controlla la risposta di uno strumento confrontandola con un valore standard o di riferimento. La calibrazione del sensore è fondamentale per fornire dati accurati.

Controllo di qualità

Oltre alla calibrazione del dispositivo (se necessario, alcuni dispositivi possono venire acquistati precalibrati o fatti calibrare da un laboratorio attrezzato), è importante controllarne con opportuni test la precisione (ovvero quanto bene il sensore “ripete” i valori in varie condizioni, cosa legata agli errori casuali) ed il bias (l’eventuale presenza di un errore ripetibile nella misura, cioè di un errore sistematico).

Variabilità di tre monitor low-cost cinesi di PM1.0, PM2.5 e PM10. Come si vede, è piuttosto buona. Misuratori similari si possono trovare a buon prezzo anche su Amazon cliccando qui.

Manutenzione del sensore

Potrebbero essere necessarie alcune azioni per mantenere le prestazioni del sensore durante il periodo di misurazione. Esse includono la pulizia periodica delle superfici interne (in particolare l’ottica) per prevenire l’accumulo di insetti o di polvere, la sostituzione di filtri e/o batterie e l’esame delle caratteristiche del sito, per garantire che non si siano verificate modifiche significative al paesaggio.

Revisione dei dati

La revisione dei dati è una valutazione tecnica dei dati raccolti da un dispositivo di monitoraggio. È una buona idea valutare la qualità dei dati già durante la fase di raccolta per identificare e correggere potenziali problemi che potrebbero insorgere. Per fare ciò, analizzate i dati per individuare i modelli stagionali, diurni / notturni o dei giorni feriali / del fine settimana. Una rilevante discrepanza con i modelli previsti può indicare un problema con il sensore o con il metodo di misurazione.

Validazione dei dati

La convalida, o validazione, dei dati è il processo di valutazione dei dati raccolti rispetto ai criteri di accettazione stabiliti per determinare la qualità e l’usabilità dei dati stessi. Mentre raccogli i dati, è importante controllare visivamente, e anche comparativamente, l’eventuale presenza di dati spurii, di diminuzioni nella risposta generale del sensore e altre caratteristiche insolite.

Se aspetti che il tuo studio sia stato completato per effettuare i fondamentali controlli appena illustrati, sarà troppo tardi per risolvere questi problemi, che tendono a produrre dati troppo regolari o che cambiano troppo bruscamente per essere causati da fenomeni atmosferici naturali. Alcuni problemi specifici che possono verificarsi durante la raccolta dei dati includono:

Interferenze

Sono dei fattori che ostacolano, ostacolano o impediscono la capacità di un sensore di effettuare misurazioni accurate. Le interferenze possono avere un effetto positivo o negativo sulla risposta del sensore e possono includere qualsiasi cosa, da sostanze inquinanti o altri composti chimici che non interessano le condizioni meteo e lo sporco / polvere / insetti.

È possibile che un sensore risponda a diverse interferenze simultaneamente. I produttori di solito rivelano inquinanti e condizioni meteorologiche che possono influire sulle prestazioni del sensore, ma potrebbero non descriverne la gravità. Prima di usare un sensore per monitorare la qualità dell’aria, considera le possibili interferenze del sensore, testale e, se possibile, riducile al minimo.

Deriva

Si riferisce a un cambiamento graduale delle caratteristiche di risposta di un sensore nel tempo. La deriva dello strumento può portare a concludere erroneamente che le concentrazioni sono aumentate o diminuite nel tempo. Lo spostamento può essere positivo o negativo e può verificarsi a causa di una serie di motivi. Un modo per ridurre la deriva consiste nel calibrare frequentemente il sensore. La frequenza di calibrazione necessaria dipenderà da quanto il sensore deriva.

 

Analisi e comunicazione dei risultati

L’analisi dei dati raccolti dai sensori di particelle e/o di gas e da quelli meteo usati in parallelo deve essere riassunta con dei grafici e deve poter differenziare dal “fondo” le sorgenti che si vogliono valutare, magari con l’uso di opportune medie. Può essere proficuo anche il confronto – finalizzato all’interpretazione dei risultati – con i dati provenienti da sensori di altre reti eventualmente presenti.

Qualora i dati meteo raccolti permettano di ottenere un grafico della rosa dei venti – uno strumento grafico di analisi statistica per dati direzionali ricavabile con software commerciali o con Excel – l’analisi partirà proprio da qui, esaminando i venti prevalenti nella zona monitorata: il “petalo” più lungo della rosa dei venti indica la direzione prevalente del vento nel periodo di tempo che ci interessa.

Si noti che grafici analoghi possono venire ricavati anche per i livelli degli inquinanti nel punto in cui abbiamo collocato la centralina di rilevamento, specie per quelli che emanano da sorgenti puntiformi rilevanti (ad es. un inceneritore, un impianto a biogas, etc.): è la cosiddetta “rosa dell’inquinamento” (pollution rose). Per ottenerla basta sostituire, nei dati standard (direzione del vento, frequenza del vento, velocità del vento), la concentrazione dell’inquinante alla velocità del vento – in modo da visualizzare al suo posto i livelli di concentrazione dell’inquinante.

Un esempio di “rosa dell’inquinamento” per l’ozono nelle 4 stagioni dell’anno.

Tenete presente che l’utilizzo dei sensori per rispondere a una domanda sulla qualità dell’aria è spesso un processo iterativo progressivo. Potreste scoprire che le vostre misurazioni non rispondono in modo soddisfacente alla tua domanda, oppure potreste trovare molte altre domande dopo aver analizzato i vostri dati. Rivalutate il vostro approccio e ripetete i passaggi sopra descritti, se necessario.

Il modo in cui presentate i risultati è fondamentale per condividere con successo la vostra comprensione dei dati e raggiungere gli obiettivi delle raccolte di dati sulla qualità dell’aria basati sui sensori. Infatti, non solo permette di valutare la bontà del vostro lavoro, ma anche ulteriori analisi. Quindi, dovreste fornire i dettagli in un documento a parte, ad es. indicando se un certo dato è grezzo o una media.

Naturalmente, per confrontare i dati misurati dai sensori con i livelli di riferimento di legge, è di solito necessario trasformare la concentrazione in parti per milione (ppm) in microgrammi per metro cubo (μg/mc). A tale scopo si possono usare i fattori moltiplicativi indicati nella tabella qui sotto per gli inquinanti outdoor più comuni, e riferiti a condizioni di temperatura e pressione standard (25 °C, 101.3 kPa = 1 atm).

Tabella di conversione da ppm a μg/mc a 25 °C e 1 atm.

Più in generale, alla pressione ambiente di 1 atmosfera (come quella normalmente presente al livello del mare) l’equazione per la conversione della concentrazione da ppm in μg/mc, che dipende dalla temperatura, è la seguente:

μg/m³ = (ppm x 12.187 x P_mol) / (273,15 + °C)

dove P_mol  è il peso molecolare dell’inquinante che ci interessa. Ad esempio, per convertire 20 ppm di biossido di azoto (NO₂) in μg/m³ a 25 °C, dato che questo gas ha un peso molecolare di 46,01, l’equazione fornisce μg/m³ = (20 x 12187 x 46,01) / (273,15 + 25) = 37600.

Metodi comuni di visualizzazione dei dati sono: i grafici delle concentrazioni di inquinanti nel tempo, per mostrare le variazioni giornaliere, settimanali, stagionali o annuali delle concentrazioni; diagrammi di direzione del vento e/o di inquinamento per identificare le fonti e mappe che rappresentano i dati raccolti dai vari sensori per illustrare dei comportamenti caratteristici nelle concentrazioni. Si noti che, sotto questo aspetto, anche molte ARPA regionali sono carenti, quindi c’è margine per far meglio.

In generale, mostrare semplicemente le misurazioni che avrete raccolto non sarà sufficiente; il vostro pubblico vorrà conoscere tutti i passaggi che avete intrapreso per garantire la qualità dei dati: ad esempio, i dati destinati a un confronto diretto con il monitoraggio regionale o comunale richiederebbero una certificazione di qualità significativamente maggiore rispetto a un’indagine generale sulle concentrazioni di inquinanti al solo scopo informativo, educativo o di sensibilizzazione.

Se abiti nel Nord Italia, puoi senza dubbio considerare l’idea di usufruire dell’ampio e accurato servizio di misurazione della qualità dell’aria (particolato fine e ultrafine, cioè PM10 e PM2.5, Composti Organici Volatili o COV, monossido di carbonio, CO2, etc.), del radon e della radioattività ambientale (fondo naturale, materiali edili, pellet, oggetti, etc.), etc. fornito da Abitest House Doctor. Puoi trovare qui ulteriori informazioni a riguardo.

 

Riferimenti bibliografici

• Air Sensor Toolbox for Citizen Scientists, Researchers and Developers, https://www.epa.gov/air-sensor-toolbox
• Air Sensor Guidebook, EPA, 2014, https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_report.cfm?dirEntryId=277996&simpleSearch=1&searchAll=air+sensor+guidebook
• Laboratory Manual of Air Pollution Sampling and Analysis, http://www.iitg.ernet.in/scifac/qip/public_html/cd_cell/CD%20Cell%20Lab%20Manual%20Report.pdf
• Wind rose, http://cimic.rutgers.edu/kearny/education/wind_rose.html
• Pollution Hunters, http://cires1.colorado.edu/science/spheres/air/pollution_hunters.html
• Microsampling Air Pollution, https://well.blogs.nytimes.com/2013/06/03/microsampling-air-pollution/?mtrref=www.google.it&gwh=08AAFCA3A42CC5F50965EE4B02E72F39&gwt=pay