Qualità dell’aria: le reti di sensori “a trama fine”

Tradizionalmente, l’inquinamento dell’aria viene rilevato da relativamente poche stazioni di misura con una tecnologia di misurazione stazionaria testata per l’idoneità a svolgere tale compito. Pertanto, secondo la Direttiva UE, solo poche organizzazioni – incluse agenzie ufficiali statali, regionali e provnciali – sono in genere in grado di raccogliere e presentare dati di alta qualità.

Tuttavia, la distribuzione spaziale degli inquinanti atmosferici nell’atmosfera urbana e nelle campagne (dove sono presenti ad es. molti impianti a biogas od a biomasse vicini a piccoli paesi) varia molto, e dipende da una serie di fattori relativi sia alle sorgenti (disposizione spaziale, attività temporale) che alle leggi della propagazione degli inquinanti (orografia, campo del vento, turbolenza).

La qualità dell’aria e la relativa qualità della vita soggettiva e salutistica sono tra i temi importanti della vita urbana del nostro tempo. Tuttavia, è molto difficile per molte città piccole e medie adottare misure per soddisfare le esigeze odierne riguardanti ad es. salute, mobilità, autorizzazioni di impianti potenzialmente inquinanti, etc., perché mancano dati granulari precisi sulle catene causali.

Oggi, però, è possibile sviluppare una rete di misurazione intelligente e riproducibile nella regione del modello, che cattura tutti i dati di misurazione di aerosol e gas attualmente monitorabili e le informazioni meteorologiche utilizzando le tecnologie esistenti. Ciò si traduce in una rete di raccolta di dati locali a trama stretta, che può essere utilizzata bene sia dalle persone sia dai previsori.

Queste nuove tecnologie di misurazione a basso costo devono essere implementate e rese coerenti con i sistemi di misurazione esistenti al fine di ottenere dati informativi il più realistici possibili in tempo reale. La rete di dati dovrebbe acquisire e visualizzare i dati ufficiali su dispositivi mobili in modo tale che possano essere usati in modo redditizio per la scienza, le autorità pubbliche ed i cittadini.

SmartAQnet

SmartAQnet, ad esempio, è una rete “intelligente” a trama fine per la misurazione della qualità dell’aria. Si tratta di un progetto tedesco congiunto di analisi e valutazione di nuovi metodi di misurazione della qualità dell’aria e comunicazione scientifica al pubblico – del quale ogni cittadino può diventare un volontario – finanziato in Germania dal Ministero federale dei trasporti e dell’infrastruttura digitale.

Un’illustrazione che riassume il progetto SmartAQnet tedesco. (fonte: SmartIQnet)

Essa ha lo scopo di sfruttare e “unire” in modo intelligente e coerente sia i dati di base su larga scala raccolti dalle reti di rilevamento istituzionali che quelli provenienti da nuovi approcci di misurazione promettenti. Si basa su un approccio pragmatico e guidato dai dati che, per la prima volta in Europa, combina insiemi di dati esistenti con una strategia di misurazione mobile in rete nello spazio urbano.

Collegando i dati open – come i dati meteorologici – con il telerilevamento dei fattori che influenzano l’inquinamento e nuovi approcci di misurazione mobile, come soprattutto la raccolta partecipativa di dati grazie alla tecnologia dei sensori a basso costo, un nuovo concetto di misurazione e analisi viene creato e testato all’interno della regione modello di Augsburg, in Germania.

Allo scopo viene utilizzato ad es., come dispositivo di misurazione delle polveri sottili, uno strumento autonomo e mobile – il sensore si collega a uno smartphone – che è auto-calibrato per essere uno strumento di riferimento di alta qualità all’interno di una rete di monitoraggio intelligente. Dunque, lo sviluppo e la validazione dei dispositivi di misurazione del particolato nelle misurazioni fisse e mobili ha un ruolo molto importante nell’ambizioso ma esemplare progetto tedesco.

I dati di diversa origine e qualità vengono integrati in una rete dinamica di misurazioni della qualità dell’aria sull’intera area di una città o di una regione. A tal fine, vengono svolte ampie misurazioni di riferimento, compresa la quantificazione delle fonti di aerosol. I moderni metodi di analisi dei dati e le tecnologie Big Data e Internet of Things (IoT) consentono di applicare il modello in modo scalabile.

I ricercatori tedeschi hanno sviluppato un sensore di polveri sottili che si collega alla parte posteriore di uno smartphone e che sfrutta la luce emessa attraverso il flash a LED della fotocamera integrata. Hanno poi compiuto un ulteriore passo in avanti collegando una trappola luminosa al telefono che può consentire una maggiore intensità luminosa, permettendo in tal modo una misurazione più accurata.

Il sensore di polveri sottili per smartphone sviluppato per il progetto SmartAQnet.

La luce diretta in questa trappola luminosa viene dispersa dalla polvere e dal fumo nell’aria, e la luminosità dei pixel nella foto presa successivamente viene convertita in concentrazione della polvere. L’accuratezza attuale del sensore è nella regione di un microgrammo per metro cubo, sufficiente per il fumo e per la polvere più grossolana, ma non per la polvere più fine.

I ricercatori sospettano che questo approccio potrebbe essere migliorato in modo significativo spostandosi verso un sensore più recente e migliorando l’accoppiamento tra il flash e la fibra ottica che dirotta la sua luce verso il sensore, nonché regolando gli algoritmi di valutazione. Una versione futura potrebbe anche memorizzare le foto non compresse, aumentando ulteriormente la precisione.

Google Air Pollution

Google, anche se finora non ha sviluppato una rete a maglia fine di sensori di qualità dell’aria, potrebbe in futuro farlo: infatti, al momento ha mappato con l’aiuto di partner – in via sperimentale e limitata ad alcune zone degli Stati Uniti (California, Los Angeles e San Francisco) – i dati dell’aria inquinata tramite la sua famosa piattaforma Google Earth, rendendo i dati raccolti di dominio pubblico

Con l’obiettivo di fornire servizi senza fini di lucro, Google ha intrapreso un’altra iniziativa che mira a creare consapevolezza dell’importanza della protezione dell’ambiente. In collaborazione con una società di tecnologie ambientali che produce “reti di sensori” chiamata Aclima, Google ha misurato i livelli di inquinamento atmosferico nell’area californiana e nelle sue due città più grandi.

I livelli di inquinamento misurati da Google e Aclima ad Oakland, in California. A sinistra sono mostrati i livelli di black carbon, al centro quelli di ossido di azoto ed a destra quelli di biossido di azoto. (fonte: American Chemical Society)

Il set di dati da raccogliere è stato sviluppato nel 2014 durante dei test preliminari di qualità dell’aria a livello stradale che Google, il Fondo per la difesa ambientale, l’Università del Texas e il gigante Aclima hanno condotto a Oakland, in California. L’idea è che i sensori mobili collocati sulle automobili colmino le lacune nelle informazioni che sono state raccolte dalle reti di qualità dell’aria esistenti.

Per raccogliere i dati e le informazioni per questo progetto, due auto di Google Street View hanno percorso nel 2016 più di 160.000 chilometri in California, il che ha richiesto 4.000 ore. Anche le altre auto di Street View dunque aggiungeranno sensori di inquinamento atmosferico per misurare la densità di inquinamento nell’aria in alcuni stati degli USA, e informazioni simili verranno presto diffuse in altri Paesi del mondo.

La piattaforma di “Intelligenza Ambientale” usata dalle due auto di Street View coinvolte nella fase sperimentale era dotata di analizzatori a livello di ricerca di gas e particelle, dispositivi ad alta velocità che effettuano i campionamenti e le misurazioni con una risoluzione temporale di 1 secondo. Essi misuravano tre inquinanti atmosferici urbani: polveri sottili (PM), ossido di azoto (NO) e biossido di azoto (NO2). Ogni isolato cittadino è stato campionato in media 31 giorni diversi durante l’anno.

Come mostrato nelle immagini, la collaborazione ha portato a una mappa interattiva che riflette le aree più inquinate a livello iperlocale, riuscendo a mappare quello che prima era “invisibile”. La mappatura dei livelli di biossido di azoto (NO2), ad esempio, mostra le strade con il maggior inquinamento da automobili, camion, macchine movimento terra, raffinerie e centrali elettriche. Il risultato è la mappa locale più dettagliata ed estesa dell’inquinamento atmosferico mai prodotta per un’area urbana.

Una mappa dei livelli di biossido di carbonio lungo le strade di Oakland. (fonte: Google)

Il team del progetto ha scoperto che l’inquinamento atmosferico, in California, era intrappolato tra le montagne della Sierra Nevada e la costa nella Central Valley; di conseguenza, ha creato livelli di particolato e ozono cronici che minacciano gli standard di salute pubblica. E le misurazioni indicano che le autostrade soffocate dal traffico, il traffico sulle strade locali ed i fenomeni meteorologici che soffiano l’inquinamento nell’entroterra sono tutti fattori che influenzano l’inquinamento atmosferico.

In questa prima fase del progetto sperimentale, l’obiettivo era quello di rendere questi preziosi dati il ​​più accessibili possibile per aiutare le comunità scientifiche e accademiche, che possono farne richiesta qualora non siano stati resi pubblici. L’idea è che questo tipo di informazioni aiutino organizzazioni locali, governi e autorità di regolamentazione nell’individuare le opportunità per ottenere migliori miglioramenti e soluzioni per la qualità dell’aria e per avere città più sostenibili.

I prevedibili sviluppi a breve

In un futuro molto più vicino di quanto non si creda, i dati sull’inquinamento su scala fine saranno normali. Usando i dati provenienti da misurazioni ripetute su ciascun isolato per un intero anno, l’approccio di analisi dei dati di Google Air Pollution produce stime stabili della concentrazione mediana diurna a lungo termine degli inquinanti per ogni segmento di 30 metri di carreggiata campionato. Le analisi suggeriscono che le stime di concentrazione per i singoli segmenti stradali siano precise entro ± 10-20%.

Le auto di Street View monteranno a breve una piattaforma mobile chiamata “Environmental Intelligence” (EI), che comprende analizzatori di livello scientifico e vari sensori a piccola scala ed a basso costo per misurare gli inquinanti, tra cui polveri sottili, biossido di azoto (NO2), black carbon e altro, come ad es. in futuro il metano (CH4), un potente gas serra rilasciato da animali, ma anche dalle perdite di metanodotti, impianti di trattamento rifiuti organici e annessi impianti a biogas, etc.

Una delle auto usate da Google Street View per la misura dell’inquinamento. (fonte: Google)

In effetti, già solo negli USA vi sono 2 milioni di km di gasdotti di distribuzione di gas naturale. Esistono praticamente ovunque e, quando perdono, il metano in fuga – l’ingrediente principale del gas naturale – è un gas serra con 84 volte l’effetto di riscaldamento globale dell’anidride carbonica (CO2). Queste perdite possono richiedere molto tempo per essere identificate e misurate usando le tecnologie tradizionali, ma non se si rivelano le concentrazioni di metano tramite un veicolo in movimento.

Le auto di Street View effettuano almeno 2 viaggi intorno a una determinata area per acquisire dati di buona qualità dell’aria. Un tubo di aspirazione sul paraurti anteriore raccoglie campioni di aria, poi elaborati da un analizzatore di metano nel bagagliaio. Infine, i dati vengono inviati a Google Cloud per l’analisi e l’integrazione in una mappa che mostra le dimensioni e la posizione delle perdite di metano. Dal 2012, EDF ha così realizzato mappe del metano per 11 città e trovato oltre 5.500 perdite.

L’interfaccia EDF Methane Maps mostra le perdite di metano a Boston (USA).

Il progetto di Google è iniziato con poche auto, ma la piattaforma mobile di Aclima potrebbe essere ampliata anche con l’implementazione su veicoli come autobus e furgoni postali o dei corrieri, per la creazione di una mappa dei livelli di inquinamento strada per strada. Questi dati iper-locali potrebbero aiutare le persone a fare scelte più informate, ad esempio su quando lasciare che i loro figli giochino fuori e quali cambiamenti promuovere per rendere le loro comunità più sane.

I risultati, specie in Paesi come l’Italia, saranno senza dubbio sorprendenti. Molte strade campionate per l’inquinamento dell’aria dalle Google car in California sopno risultate costantemente molto più inquinate di quanto suggerirebbero i dati ufficiali sulla qualità dell’aria. Inoltre, l’inquinamento atmosferico è risultato essere  sorprendentemente variabile all’interno dei quartieri: le concentrazioni possono variare costantemente di 5-8 volte all’interno di un singolo isolato.

I ricercatori sono stati particolarmente sorpresi nel trovare piccoli e consistenti hotspot di inquinamento in molti quartieri delle città. Ognuno di questi hotspot può sorgere per le proprie ragioni idiosincratiche: le cause comuni sono la congestione del traffico, le emissioni industriali, le emissioni nel cucinare e il traffico locale di camion o autobus. Per contro, l’inquinamento mostrato nell’unico sito ufficiale di monitoraggio della qualità dell’aria era simile ai livelli misurati su strade residenziali tranquille.

 

Riferimenti bibliografici

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