Hotspot di inquinamento dell’aria nelle città

L’inquinamento del traffico è la fonte principale di inquinamento atmosferico nella maggior parte delle aree metropolitane e ha importanti effetti sulla salute. Il 50% della popolazione mondiale vive già in aree urbane e il 70% è destinato a vivere nelle aree urbane entro il 2050. Anche in molte città europee l’inquinamento atmosferico industriale viene sorpassato dall’inquinamento dovuto al traffico.

Nella maggior parte delle città, i livelli di inquinamento atmosferico superano i livelli massimi stabiliti dall’Organizzazione Mondiale della Sanità per proteggere la salute umana. Le persone più esposte sono quelle che trascorrono molto tempo nel traffico pesante o vi risiedono vicino. Negli Stati Uniti, circa 1 persona su 6 vive, lavora o frequenta una scuola a meno di 90 metri da una strada.

I limiti del monitoraggio tradizionale

L’Agenzia per la protezione dell’ambiente degli Stati Uniti (EPA) – e anche quella italiana, strutturata a livello regionale nelle ARPA – raccolgono i dati sull’inquinamento dell’aria da una rete di centraline fisse dislocate in tutto il Paese, ed è qui che si ha il problema. La parola chiave è “fisse”. Le centraline convenzionali per la qualità dell’aria si trovano ferme in un unico posto. Possono essere trasportabili, ma non sono mobili, cioè non effettuano misurazioni della qualità dell’aria in movimento.

In parte a causa della loro immobilità, le centraline convenzionali per la qualità dell’aria sono particolarmente limitate nella loro capacità di individuare la fonte di problemi in ambienti urbani complessi, dove il particolato atmosferico porta all’asma e ad altri gravi problemi di salute. Le centraline convenzionali sono anche costose e molto lontane nel mondo attuale della connettività, della condivisione dei dati open source e delle interfacce user-friendly che il grande pubblico può comprendere.

Differenza fra l’approccio tradizionale al monitoraggio dell’aria e quello mobile.

L’EPA ha identificato queste carenze nel monitoraggio dell’inquinamento atmosferico urbano diversi anni fa e nel 2013 l’agenzia ha lanciato uno sforzo pubblico-privato per sviluppare un sistema altamente mobile di sensori di inquinamento dell’aria, per promuovere la tecnologia di rilevamento della qualità dell’aria di prossima generazione e fornire più capacità di rilevamento dell’aria mobili e meno costose.

La società Aclima è stata scelta dall’EPA per guidare il consorzio che dovrà realizzare questi obiettivi – ed in particolare sviluppare un nuovo sensore ultra-piccolo per rilevare il particolato – collaborando con il Lawrence Berkeley National Lab, l’Università della California a Berkeley, l’Università dell’Illinois a Chicago. Aclima aveva anche lavorato per anni con Google, fornendo a quell’azienda una rete fissa di 6.000 sensori di qualità dell’aria per 21 dei suoi uffici distribuiti a livello globale.

In seguito, la partnership con Google di Aclima – una società che costruisce reti di sensori ambientali – si è evoluta, con l’idea di dare vita insieme a “un sistema completo per mappare la qualità ambientale in un modo completamente nuovo, che ci permetta di vedere come vivono, respirano i nostri edifici, comunità e città”. Grazie alla connettività Internet, il sistema può fornire in tempo reale mappatura e monitoraggio, scalando dall’interno dei singoli edifici fino a un’intera città.

Nel 2014, Aclima ha collaudato i suoi sensori mobili di inquinamento atmosferico negli Stati Uniti, montandoli su tre auto di Google Street View per un mese, i sensori di Aclima hanno raccolto circa 150 milioni di punti dati su vari inquinanti, tra cui anidride carbonica, monossido di carbonio, biossido di azoto, ossido nitrico, ozono, metano, particolato incluso “black carbon” e composti organici volatili. I dati erano anche correlati con informazioni provenienti da monitor fissi convenzionali dell’EPA.

La scoperta degli “hotspot” urbani

In seguito, alcuni scienziati dell’Università del Texas (UT), in collaborazione con Google e Aclima, hanno sviluppato una tecnica di monitoraggio dell’inquinamento atmosferico a livello iperlocale concepita apposta per Google Street View, al fine di per misurare e mostrare l’inquinamento su tale mappa.

Questa collaborazione ha consentito la raccolta di dati ogni 30 metri, per rilevare i “punti caldi” di inquinamento atmosferico – ovvero piccole sacche di maggiore inquinamento – all’interno di un isolato di una città. Ciò che hanno raccolto nel corso di un anno a Oakland, in California, è l’insieme di dati più dettagliato ed esauriente dell’inquinamento atmosferico iperlocale mai realizzato, il quale ha fornito agli scienziati ed ai ricercatori uno strumento potente per l’analisi dell’aria respirabile.

Una delle mappe di Oakland con il black carbon misurato dalle Google car.

Le auto hanno coperto più di 15.000 chilometri di strade nella città di Oakland, misurando l’inquinamento atmosferico in ogni singolo isolato più di 30 volte. Una delle innovazioni di questa tecnica è la quantità di dati che occorre raccogliere per vedere emergere qualcosa di coerente e significativo. Hai bisogno di fare misurazioni in un isolato solo per 20 volte in un anno, se sono distribuite nel corso dell’anno. Ciò significa che è più economico e più facile di quanto si pensasse in precedenza.

In uno studio pubblicato nel giugno 2017, dai ricercatori di UT, Google e Aclima, sulla rivista Environment Science & Technology, si dimostra che la qualità dell’aria può variare enormemente all’interno di una città, anche da un isolato all’altro. La scoperta, giunta inaspettata, suggerisce che potrebbe essere possibile per le autorità locali individuare “punti caldi” (hotspot) di inquinamento che altrimenti non sarebbero rilevati, ed aiutare i cittadini a evitare di vivere o viaggiare in quelle aree.

I risultati hanno mostrato che il traffico, l’ora del giorno e altre variabili creano cambiamenti drammatici nei livelli di inquinamento vicino a autostrade, ponti e persino fast food, aggiungendo una “minaccia invisibile” che è stata collegata all’asma, alle malattie cardiache e agli ictus. I numerosissimi dati raccolti sono stati utilizzati per creare mappe interattive dettagliate con punti rossi, arancioni e gialli per indicare i differenti livelli di inquinamento in determinate località della mappa.

I colori spesso si spostano con il traffico e in diversi momenti della giornata, della settimana e dell’anno. I livelli di inquinamento variano fino a cinque volte da un isolato all’altro. Si è inoltre scoperto che le concentrazioni degli inquinanti possono variare costantemente di 5-8 volte all’interno di un singolo isolato, e che vi sono tendenze coerenti a lungo termine della qualità dell’aria durante il giorno e nei giorni feriali. Tutto ciò è, semplicemente, soprendente e in gran parte inatteso.

Le strade trafficate ed i quartieri industriali presentavano livelli più elevati di sostanze inquinanti rispetto a strade più tranquille in quartieri prevalentemente residenziali. Ma alcuni risultati si sono distinti. C’erano molti hotspot – luoghi di lunghezza inferiore a 30 metri – dove i livelli di inquinamento erano sostanzialmente più alti di quanto ci si sarebbe potuto aspettare. Inoltre, la posizione degli hotspot è rimasta costante nel tempo, conservando una cattiva qualità dell’aria per lunghi periodi.

Nella loro analisi, i ricercatori hanno dunque identificato molti hotspot ricorrenti in cui l’inquinamento in un singolo isolato era costantemente molto più alto che altrove in un quartiere. Questi punti di inquinamento includono il porto, le intersezioni trafficate di strade, i ristoranti, i magazzini, gli impianti industriali e le concessionarie di veicoli. Alcuni luoghi possono essere sei volte più inquinati a un’estremità dell’isolato piuttosto che all’altra, esponendo le persone a livelli esagerati di aria malsana.

Alcuni degli hotspot con cattiva qualità dell’aria identificati dai ricercatori grazie ai dati raccolti con le Google car di Street View. (fonte: Università del Texas, Austin)

Ognuno di questi hotspot può sorgere per le proprie ragioni idiosincratiche. I ricercatori ritengono che le cause comuni degli hotspot siano la congestione del traffico, le emissioni industriali, le emissioni di cottura del cibo ed il traffico locale di camion o autobus. Molte strade monitorate dal team grazie alle auto di Google Street View sono risultate costantemente molto più inquinate di quanto suggerirebbero i dati ufficiali sulla qualità dell’aria, che misuravano i livelli su strade residenziali tranquille.

Ma l’inquinamento atmosferico, ad eccezione dell’ozono, non è distribuito uniformemente in un ambiente urbano. I particolati variano da quartiere a quartiere, ed anche da un piano all’altro di un edificio. Un simile livello di granularità nella misura dell’inquinamento consente alle città – in particolare, alle “smart city” – di mappare esattamente anche come il loro sistema di trasporto influisce su altri aspetti della vita. E di condividere queste informazioni con i cittadini per migliorare la loro qualità della vita.

Quando un sciopero del sistema BART di trasporto pubblico su rotaia che collega Oakland a San Francisco ha portato a un numero maggiore di persone a prendere le proprie auto per andare verso il posto di lavoro, i sensori indoor di Aclima hanno rilevato concentrazioni più elevate di particelle sottili che filtravano all’interno dei luoghi di lavoro. Al contrario, in un giorno dedicato all’andare in bici al lavoro, i sensori hanno rilevato una diminuzione dell’inquinamento da veicoli che entra negli ambienti interni.

Una rivoluzione copernicana

I Governi hanno misurato l’inquinamento atmosferico da lungo tempo, ma in punti fissi in diverse città. Poiché questi punti fissi sono statici, non misurano l’inquinamento atmosferico reale nei vari punti di una città e, poiché sono costosi da costruire o acquistare, non ce ne sono abbastanza. Non possono quindi scoprire, ad esempio, che i passeggeri degli autobus pubblici – sorprendentemente – hanno esposizioni all’inquinamento più elevate rispetto a quelle delle moderne automobili.

Come reazione, gli scienziati hanno sviluppato modelli per prevedere l’inquinamento atmosferico, ma tali modelli non ci dicono cosa non ci aspettiamo già di vedere. Usare i modelli esistenti ma aggiungere misure è la chiave per determinare cosa esattamente stiamo respirando. Ci sono infatti meno ipotesi, se si misura piuttosto che usare solo il modello per estrapolare i valori in zone “scoperte” della rete o per fare previsioni. In questo modo, si può anche controllare se i modelli sono attendibili.

I complessi modelli tradizionali di qualità dell’aria. (fonte: ARPA Piemonte)

Per quanto riguarda l’inquinamento urbano, essendo “in teoria” dominato dal traffico veicolare – dunque da fonti non puntiformi, ovvero i veicoli – cui si sovrappone il debole inquinamento di fondo dovuto alle fonti esterne lontane almeno diversi chilometri dalla città (industrie, inceneritori, centrali elettriche, etc.), i ricercatori si aspettavano un dato relativamente uniforme su vaste aree della città.

Il fatto che ci siano così tanti hotspot di inquinamento sparsi in una città ha sconvolto gli scienziati. In realtà, è una cosa simile a quella che si verifica con l’inquinamento elettromagnetico a bassa frequenza, che però è più facile da misurare. Gli scienziati sapevano che l’inquinamento dell’aria è più alto nelle strade trafficate, ma quello di cui non si erano mai resi conto prima è che ci sono delle “sacche” all’interno di un quartiere – ed anche all’interno di un singolo isolato – con punte molto più elevate.

In realtà, questo risultato non era del tutto inatteso. Un paio di anni prima, William Griswold – un informatico dell’Università della California, a San Diego – aveva distribuito sensori portatili a 16 pendolari, nell’ambito di un progetto chiamato Citisense (da non confondere con un progetto omonimo europeo che riguarda le smart city). Un documento presentato a Wireless Health 2012 aveva riportato che i partecipanti a quest’iniziativa utilizzando i sensori portatili di inquinamento avevano trovato delle “valli urbane” in cui gli edifici intrappolano l’inquinamento.

I sensori di Citisense (biossido di azoto, monossido di carbonio e ozono).

Inoltre, se si prende un sensore di biossido di azoto (NO2), si scopre facilmente che i livelli di biossido di azoto mostrano un forte calo quando dalla strada di un centro urbano si porta il sensore in casa. Allo stesso modo, se stiamo in un parcheggio e ci passa davanti lentamente una moto, e avviciniamo un sensore di monossido di carbonio (CO) allo scarico della moto, prevedibilmente, i valori misurati arriveranno alle stelle e, se riportiamo tutta la sessione di misura in un grafico, salteranno fuori dal grafico.

I ricercatori dicono che questo tipo di nuovi dati possono guidare cambiamenti nel comportamento quotidiano. I dati potrebbero essere presto incorporati in Google Maps e in altre app di mappe in modo che gli utenti possano semplicemente aprire i loro smartphone per sapere quali hotspot evitare. Le informazioni potrebbero consentire agli utenti di selezionare un percorso con aria pulita, ad esempio, oppure di concentrare le ricerche degli appartamenti in aree a basso inquinamento.

Con la mappa, i ricercatori possono rendere visibili gli hotspot dell’inquinamento, permettendo a chiunque di discernere eventuali cambiamenti drammatici su brevi distanze e individuare luoghi specifici che hanno costantemente una buona o cattiva qualità dell’aria per un lungo periodo di tempo. La cattiva notizia è che l’inquinamento è peggiore di quanto gli scienziati prevedessero, ma la buona notizia è che potremo presto avere più modi per ridurre la nostra esposizione personale all’inquinamento.

Inoltre, la tecnologia di monitoraggio mobile è scalabile ed a basso costo, per cui si diffonderà rapidamente anche nei paesi in via di sviluppo, dove l’inquinamento atmosferico è grave. Anche senza l’aiuto delle auto di Google Street View, sarà sufficiente collegare i dispositivi di misurazione ai taxi o ai veicoli municipali, oppure ai corrieri, poiché non effettuano lo stesso percorso ogni giorno.

 

Riferimenti bibliografici

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