L’esposizione all’inquinamento atmosferico da particolato (PM) è una delle principali cause di mortalità a livello globale, responsabile di milioni di decessi all’anno in tutto il mondo, stimati dai 4,2 agli 8,9 milioni. L’esposizione al PM è associata ad un aumento del rischio di cancro ai polmoni, asma, cardiopatia ischemica e ictus, mentre vi sono prove crescenti di associazioni con broncopneumopatia cronica ostruttiva, diabete mellito di tipo 2 e demenza. Il PM è classificato in base al suo diametro medio. Con un diametro <10μm, il PM può essere inalato nel tratto respiratorio. Il PM fine <2,5μm è respirabile e può raggiungere i bronchioli e potenzialmente gli alveoli, mentre il PM ultrafine <0,1μm è in grado di attraversare la barriera aria-sangue ed entrare nella circolazione sanguigna.

La misurazione dell’esposizione personale al PM per quanto essenziale è ostacolata e limitata da alcuni fattori, primo tra tutti per la scarsa risoluzione spaziale delle reti di monitoraggio normate tradizionali. I sensori PM a basso costo possono migliorare la risoluzione del monitoraggio in modo conveniente. Ma ad oggi ci sono dubbi sull’affidabilità dei dati. Per chiarire questi dubbi, tra i mesi di febbraio 2018 fino a marzo 2019, è stato realizzato un importate studio nel Regno Unito e pubblicato dalla rivista scientifica Nature. Per circa un anno in due scuole di Southampton sono state posizionate tre centraline contenenti dei sensori PM utilizzando quattro modelli di micro-sensori PM a basso costo e sono state analizzate le prestazioni dei sensori.

Il confronto delle letture dei sensori con una stazione di monitoraggio normata nelle vicinanze ha mostrato una correlazione dei valori ottenuti da moderata a buona, ma ha indicato che le prestazioni dei sensori a basso costo variano con diverse sorgenti di PM e composizione dell’aria ed in misura minore con diversa umidità e temperatura. Ciò potrebbe avere implicazioni per il loro potenziale utilizzo in luoghi diversi. I dati indicano anche che questi sensori possono tracciare eventi di inquinamento di breve durata, soprattutto in combinazione con i dati del vento.

Lo studio conclude che, con un’adeguata considerazione dei potenziali fattori confondenti, i sensori di PM a basso costo possono essere adatti per il monitoraggio di PM dove le apparecchiature standard di riferimento non sono disponibili e che possono essere utili nello studio delle concentrazioni di PM aerotrasportate spazialmente localizzate.

Ovviamente gli studi che hanno esaminato i dati rilevati dai sensori di PM a basso costo sono molteplici (e.g. 1 , 2), anche perchè la tecnica di misurazione del PM con sensori ottici è molto diffusa nel mondo e sostenuta anche dall’UNEP (il Programma delle Nazioni Unite per l’ambiente). Quello qui proposto, e di seguito sinteticamente illustrato, è tuttavia uno dei primi studi a collocare più sensori di diversi modelli in un ambiente configurato come una rete di sensori per una durata estesa (≈ un anno) e confrontarli tra loro e con strumenti di riferimento.

Introduzione

Le tecniche di riferimento più comuni per il monitoraggio del PM nel Regno Unito sono il Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM) e il Beta Attenuation Monitor (BAM).
I sensori PM a basso costo disponibili in commercio possono fornire un’opportunità per integrare la rete di monitoraggio esistente.
A differenza degli strumenti di riferimento, questi sensori PM utilizzano generalmente la diffusione della luce e possono rilevare particelle con diametri aerodinamici 0,3–10μm.
Questi sensori sono più adatti per la distribuzione in grandi numeri in termini di costo, ma rimangono dubbi sulla qualità dei dati prodotti e la loro precisione e accuratezza potrebbero non essere sufficienti per l’uso normativo.

Vari modelli di sensori PM a basso costo sono stati testati sia in condizioni controllate che sul campo, ma la validità e la variabilità dei dati che producono è poco conosciuta.
Le prove disponibili suggeriscono che le concentrazioni di PM riportate da sensori di PM a basso costo hanno una affidabilità e accuratezza che varia a seconda della concentrazione di PM e fattori meteorologici come l’umidità relativa. Ciò ha portato a suggerire che ogni sensore PM a basso costo dovrebbe essere testato in condizioni il più vicino possibile a quelle del sito di monitoraggio con cui fare il confronto. Inoltre, i sensori PM a basso costo sono fortemente influenzati dalla composizione dell’aria ed è quindi necessario studiarli in ambienti diversi.

In questo studio, sono state caratterizzate le prestazioni sul campo di diversi sensori PM in due sedi scolastiche a Southampton, nel Regno Unito, nell’arco di circa un anno. Lo scopo di questo studio era la valutazione a lungo termine di:
(1) la capacità dei sensori di produrre dati orari, informando sull’andamento dell’inquinamento, con correlazione con gli strumenti di riferimento;
(2) la necessità di ospitare più sensori a basso costo nello stesso luogo;
(3) l’utilità dei sensori nel produrre informazioni spaziali sull’inquinamento atmosferico;
(4) la capacità di questi sensori di rilevare eventi di breve durata non rilevati dalle stazioni della rete urbana e rurale automatica (AURN).
Sono state fornite anche alcune raccomandazioni e migliori pratiche sull’uso di questi sensori nel contesto della situazione di monitoraggio del mondo reale.

Per ciò che risulta, questo è il primo studio a collocare più sensori di diversi modelli in un ambiente configurato come una rete di sensori per una durata estesa e confrontarli tra loro e con strumenti di riferimento. Questo consente di determinare gli effetti di fattori esterni come l’inquinamento di fondo e le condizioni meteorologiche sulle prestazioni del sensore su un intero anno di condizioni ambientali, nonché di studiare la loro risposta a una serie di eventi di inquinamento di breve durata.

Metodi e Distribuzione

Nel febbraio 2018, è stata implementata una rete di sensori a basso costo per monitorare le concentrazioni di PM in due scuole a Southampton, nel Regno Unito. I dati analizzati in questo studio coprono un periodo di circa un anno. Southampton è stata identificata dal governo britannico come una delle numerose città che hanno bisogno di migliorare la qualità dell’aria. A Southampton, il PM2,5 è monitorato da un singolo sito AURN situata nel centro della città, mentre il PM10 e gli ossidi di azoto da una stazione AURN sul ciglio della strada A33. Le medie orarie sono disponibili sul sito governativo http://www.airquality.co.uk.

Sono stati selezionati e confrontati quattro sensori di PM a basso costo: Plantower PMS5003, Plantower PMS7003, Honeywell HPMA115S0 e Alphasense OPC-N2. Questi sensori sono controllati in remoto tramite un Raspberry Pi. Tutti riportano concentrazioni di PM2,5 e PM10 in μg/m3. Il Plantower PMS5003, il Plantower PMS7003 e l’Alphasense OPC-N2 segnalano anche il PM1. Tutti usano un intervallo di campionamento <10 s.

I sensori sono stati assemblati in una centralina Air Quality Monitor (AQM). Gli AQM sono stati distribuiti all’aperto in due scuole in aree distinte di Southampton a partire da febbraio 2018 fino a marzo 2019. La scuola A si trova a 1,3 km dalla centralima AURN e la scuola B a 2,7 km. Per ogni scuola, un AQM è stato posizionato a <10 m dal vialetto della scuola per registrare l’esposizione in prossimità della strada, mentre gli altri due erano situati nel cortile con il terzo posto posizionato in modo da ottenere una buona copertura della scuola lontano dagli altri due monitor. L’altezza dell’AQM è stata imposta da vincoli fisici, in ogni caso, gli AQM sono stati posizionati il più vicino possibile al suolo.

Risultati

Le prestazioni dei sensori sono state valutate da un’analisi statistica. Sono state studiale le prestazioni dei sensori a basso costo confrontandole con i dati delle centraline preesistenti (e normate) AURN.
Per studiare la correlazione dei singoli sensori con la stazione di riferimento AURN, è stata calcolata la media dei dati di ciascun sensore per fornire la concentrazione media di PM2,5 all’ora in modo che corrisponda alla frequenza riportata dalla stazione AURN.
Le prestazioni dei quattro modelli di sensori PM a basso costo sono state valutate confrontando le differenze di prestazioni tra i quattro modelli esaminati e le prestazioni rispetto alla stazione di riferimento più vicina, esaminando potenziali condizioni di confusione, quali concentrazione dell’aria, vento, umidità e temperatura.

I sensori generalmente hanno funzionato in modo affidabile con 14 sensori su 19 (cinque sensori configurati in modo errato) con un tempo di attività maggiore rispetto alla postazione di riferimento.

I sensori hanno mostrato tra loro una correlazione da media ad alta, mentre si comportano in modo diverso con umidità relativa variabile. La correlazione dei sensori con la stazione di riferimento è risultata essere fortemente influenzata dalla concentrazione di fondo dell’aria mentre l’umidità relativa e la temperatura hanno registrato in generale un’influenza limitata.

Tutti i sensori tendevano a riportare concentrazioni maggiori di PM2,5 rispetto alla stazione di riferimento, ma va notato che i sensori registrano le concentrazioni ogni 1–10 s, mentre il TEOM registra le medie orarie.

Ci si aspettava di trovare variabilità con la direzione del vento ed il passare dei mesi per i quali le fonti di inquinamento possono variare cambiando la composizione e la dimensione delle particelle e i risultati ottenuti per il mese di agosto hanno confermato questa ipotesi mostrando un chiaro impatto della direzione del vento sulla correlazione con la stazione di fondo AURN, suggerendo l’importanza della composizione e della dimensione delle particelle, e quindi delle fonti di inquinamento, sul PM2,5 riportate dai sensori. A basse concentrazioni di fondo invece le letture sono probabilmente influenzate in misura maggiore da fonti locali di inquinamento.

In sintesi valutando le prestazioni di quattro modelli di sensori PM a basso costo si è constatato che generalmente la correlazione dei sensori con la stazione di riferimento è fortemente influenzata dalla concentrazione di fondo mentre l’umidità relativa e la temperatura in generale hanno un’influenza limitata. Il mese e la direzione del vento hanno un effetto combinato sulla correlazione suggerendo prestazioni diverse con diverse fonti di inquinamento.

Conclusioni

A conclusione dello studio i ricercatori dichiarano di aver dimostrato che c’è un accordo generale nelle letture tra i quattro modelli di sensori testati. I sensori a basso costo mostrano una maggiore variabilità a basse concentrazioni di PM e possono essere influenzati in modo differenziato dalla variazione di temperatura e umidità, il che implica la potenziale necessità di diversi metodi di correzione.

Nonostante questi problemi, questi sensori a basso costo sono adatti per il monitoraggio di eventi di inquinamento di breve durata, specialmente se accoppiati ai dati del vento e possono fornire informazioni utili sull’esposizione personale al PM. Possono anche essere adatti per la segnalazione di dati orari per produrre dati per informare il pubblico.

La variabilità inter-modello suggerisce che non dovrebbero essere utilizzati individualmente, con la collocazione di più sensori che forniscono anche ridondanza facilitando il rilevamento di guasti/valori anomali e garantendo la copertura completa dei dati.

I sensori a basso costo possono essere un mezzo economico per migliorare la risoluzione spaziale del monitoraggio del PM nelle reti urbane.
Sono necessari ulteriori studi di collocazione a lungo termine e test di laboratorio in condizioni controllate per determinare la natura precisa e l’entità degli effetti dei fattori di confusione, portando a una migliore comprensione del comportamento di questi sensori a basso costo.

Fonte: Nature 16-05-2019
Titolo Originale: “Long-term field comparison of multiple low-costparticulate matter sensors in an outdoor urbanenvironment”
University of Southampton, Southampton UK

Traduzione, sintesi e adattamento a cura della redazione di Ancler