Lo scorso maggio, Il municipio di Parigi ha lanciato "Pollutrack", una flotta di microsensori posizionati sui tetti dei veicoli che viaggiano in tutta la capitale per misurare in tempo reale il livello di polveri sottili presenti nell'aria. Un anno in anticipo, Rennes ha proposto che i residenti partecipino alla valutazione della qualità dell'aria tramite sensori individuali.

Per molti anni, sono state regolarmente osservate elevate concentrazioni di polveri sottili in Francia, e l'inquinamento atmosferico è diventato una delle principali preoccupazioni per la salute. Ogni anno in Francia, 48, 000 morti premature sono legate all'inquinamento atmosferico.

L'inverno del 2017 è stato un ottimo esempio di questo fenomeno, con livelli giornalieri fino a 100µg/m ³ in determinate zone, e con condizioni ristagnanti per diversi giorni a causa del clima freddo e anticiclonico.

Pollutrack:des capteurs de inquinanti sur des véhicules établissent une carte de la inquinanti à Paris https://t.co/dmlQJmdAWk pic.twitter.com/OfRT7QIni2

— Vivre Paris (@vivreparis) 29 maggio, 2017

Uno schizzo della polizia della particella fine

Una particella fine (particolato, abbreviato PM) è caratterizzato da tre fattori principali:la sua dimensione, natura e concentrazione.

La sua taglia, o meglio il suo diametro, è uno dei fattori che incide sulla nostra salute:le PM10 hanno un diametro che va da 2,5 a 10μm; PM2.5, un diametro inferiore a 2,5 μm. A titolo di confronto, una particella è circa da 10 a 100 volte più fine di un capello. E questo è il problema:più piccole sono le particelle che inaliamo, più profondamente penetrano nei polmoni, portando ad un'infiammazione degli alveoli polmonari, così come il sistema cardiovascolare.

Anche la natura di queste particelle fini è problematica. Sono costituiti da una miscela di sostanze organiche e minerali con diversi gradi di pericolosità:acqua e carbonio costituiscono la base attorno alla quale si condensano i solfati, nitrati, allergeni, metalli pesanti e altri idrocarburi con comprovate proprietà cancerogene.

Quanto alla loro concentrazione, maggiore è in termini di massa, maggiore è il rischio per la salute. L'Organizzazione Mondiale della Sanità raccomanda di non superare l'esposizione personale di 25 μg/m ³ per il PM2,5 come media 24 ore e 50 μg/m ³ per il PM10. Negli ultimi anni, le soglie sono state costantemente superate, soprattutto grandi città.

Gli esseri umani non sono gli unici ad essere colpiti dalla pericolosità di queste polveri sottili:quando si depositano, contribuiscono all'arricchimento degli ambienti naturali, che può anche portare all'eutrofizzazione, un fenomeno in cui quantità eccessive di nutrimenti, come l'azoto trasportato dalle particelle, si depositano nel suolo o nell'acqua. Ciò può portare a fioriture algali che possono soffocare gli ecosistemi locali. Inoltre, a causa della reazione chimica dell'azoto con l'ambiente circostante, l'eutrofizzazione porta generalmente all'acidificazione del suolo. Il terreno più acido diventa drasticamente meno fertile:la vegetazione si impoverisce, e lentamente ma inesorabilmente, specie muoiono.

Da dove vengono?

Le emissioni di particelle fini provengono principalmente dalle attività umane:il 60% di PM10 e il 40% di PM2,5 sono generati dalla combustione del legno, soprattutto dal riscaldamento a camino o stufa, Dal 20% al 30% proviene dal carburante per autotrazione (il diesel è il numero uno). Finalmente, quasi il 19% delle emissioni nazionali di PM10, e il 10% di emissioni di PM2,5 derivano dalle attività agricole.

Per aiutare le autorità pubbliche a limitare e controllare queste emissioni, la comunità scientifica deve migliorare l'identificazione e la quantificazione di queste fonti di emissioni, e devono acquisire una migliore comprensione della loro variabilità spaziale e temporale.

Letture complesse e costose

Oggi, le letture di particelle fini si basano principalmente su due tecniche.

Primo, i campioni sono prelevati dai filtri; questi vengono prelevati dopo un'intera giornata e poi analizzati in laboratorio. A parte il fatto che i dati sono in ritardo, l'attrezzatura analitica utilizzata è costosa e complicata da utilizzare; è richiesto un certo livello di competenza per interpretare i risultati.

L'altra tecnica consiste nell'effettuare misurazioni in tempo reale, utilizzando strumenti come l'etalometro multi-lunghezza d'onda AE33, un dispositivo relativamente costoso, a oltre 30€, 000, ma ha il vantaggio di fornire misurazioni ogni minuto o anche meno di un minuto. È inoltre in grado di monitorare il black carbon (BC):può identificare le particelle che hanno origine specificatamente da reazioni di combustione. Degno di menzione è anche il monitor di speciazione chimica dell'aerosol (ACSM), in quanto permette di identificare la natura delle particelle, e prende le misurazioni ogni 30 minuti. Però, il suo costo di 150, 000 euro significa che l'accesso a questo tipo di strumento è limitato agli esperti di laboratorio.

Dato il loro costo e il livello di sofisticatezza, ci sono un numero limitato di siti in Francia che sono dotati di questi strumenti. Grazie a queste simulazioni, l'analisi delle medie giornaliere permette di creare mappe con un reticolo di 50 km per 50 km.

Poiché questi mezzi di misura non consentono di stabilire una mappa in tempo reale con scale spazio-temporali più fini – in termini di km ² e minuti:gli scienziati hanno recentemente iniziato a cercare nuovi strumenti:i microsensori di particelle.

Come funzionano i microsensori?

Piccolo, leggero, portatile, poco costoso, facile da usare, connessi… i microsensori sembrano offrire molti vantaggi che completano la gamma di tecniche analitiche pesanti sopra menzionate.

Ma quanto sono credibili questi nuovi dispositivi? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo guardare alle loro caratteristiche fisiche e metrologiche.

Attualmente, diversi produttori sono in competizione per il mercato dei microsensori:il britannico Alphasense, il cinese Shinyei e il produttore americano, Honeywell. Utilizzano tutti lo stesso metodo di misurazione:rilevamento ottico tramite diodo laser.

Il principio è semplice:l'aria, risucchiato dal ventilatore, scorre attraverso la camera di rilevamento, che è configurato per rimuovere le particelle più grandi, e trattengono solo le particelle fini. L'aria, carica di particelle, attraversa il segnale ottico emesso dal diodo laser, il cui raggio viene diffratto da una lente.

Un fotorilevatore posto di fronte al fascio emesso registra le diminuzioni di luminosità causate dalle particelle in transito, e conta il numero per intervalli di dimensioni. Il segnale elettrico dal fotodiodo viene poi trasmesso ad un microcontrollore che elabora i dati in tempo reale:se si conosce la portata d'aria, il numero di concentrazione può quindi essere determinato, e poi la massa, in base alle gamme di dimensioni, come si vede nella figura sottostante.

Dalla versione più elementare a quella completamente integrata (compresi software di acquisizione ed elaborazione dati, e trasmissione delle misure tramite cloud computing), il prezzo può variare da 20 a 1, 000 euro per i sistemi più elaborati. Questo è molto conveniente, rispetto alle tecniche sopra citate.

Possiamo fidarci dei microsensori?

Primo, va notato che questi microsensori non forniscono alcuna informazione sulla composizione chimica delle particelle fini. Solo le tecniche sopra descritte possono farlo. Però, la conoscenza della natura delle particelle fornisce informazioni sulla loro origine.

Per di più, il sistema di microsensori utilizzato per separare le particelle per dimensione è spesso rudimentale; test sul campo hanno dimostrato che mentre le particelle più fini (PM2,5) sono monitorate abbastanza bene, spesso è difficile estrarre la sola frazione PM10. Però, le particelle più fini sono proprio quelle che influiscono maggiormente sulla nostra salute, quindi questa mancanza non è problematica.

Per quanto riguarda i limiti di rilevazione/quantificazione, quando i sensori sono nuovi, è possibile raggiungere soglie ragionevoli di circa 10µg/m ³ . Hanno anche livelli di sensibilità compresi tra 2 e 3µg/m ³ (con un'incertezza di circa il 25%), che è più che sufficiente per monitorare la dinamica di come cambiano le concentrazioni di particelle nell'intervallo di concentrazione fino a 200 µg/m ³ .

Però, col tempo, la fluidica e i rivelatori ottici di questi sistemi tendono ad intasarsi, portando ad errori nei risultati. I microsensori devono quindi essere regolarmente calibrati collegandoli a dati di riferimento, come i dati diffusi dalle agenzie di controllo dell'inquinamento atmosferico.

Questo tipo di strumento è quindi ideale per una diagnosi istantanea e semiquantitativa. L'idea non è quella di fornire una misurazione estremamente precisa, ma piuttosto per riferire sui cambiamenti dinamici dell'inquinamento atmosferico da particolato su una scala con livelli bassi/medi/alti. A causa del basso costo di questi strumenti, possono essere distribuiti in gran numero sul campo, e quindi aiutano a fornire una migliore comprensione delle emissioni di particolato.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.