Grafico degli ultimi 4 giorni di registrazione di PM2.5 e PM10 rilevati dalla centralina PMS5003. Ogni punto mostra il valore della media delle misure fatte nell’ora precedente (media mobile oraria).


In queste settimane invernali, ci siamo dotati di due strumenti per il rilevamento delle polveri sottili in atmosfera.
Premettiamo subito che si tratta di strumenti classificabili nella categoria "low cost", cioè a basso costo, non direttamente confrontabili, quindi, con le centraline di ARPA, costruite seconde le norme internazionali e quasi 1000 volte più costose (decine di migliaia di Euro).

I nostri strumenti, invece, costano poche decine di Euro, ma non per questo le loro misure devono essere considerate inaffidabili. Molti studi condotti da importanti università e centri di ricerca, hanno dimostrato che le informazioni fornite da questo tipo di strumenti sono da considerarsi affidabili e qualitativamente precise, anche se i valori che forniscono possono discostarsi da quelli misurati da ARPA.
La differenza tra le due famiglie di strumenti sono dovute alla diversa tecnologia utilizzata per stimare il contenuto di particolato nell'aria.

Dato che le norme che regolano la misura delle polveri sottili in atmosfera stabiliscono che l'unità di misura da utilizzare sia un'unità di peso, ecco che la concentrazione di particelle PM 2.5 e PM 10 viene espressa in micro grammi per metro cubo (µg/m3) e gli strumenti che devono misurare con precisione tale concentrazione sono basati su metodi 'gravitometrici', cioè letteralmente 'pesano' le particelle raccolte su di un filtro attraverso cui viene fatta passare una determinata quantità di aria atmosferica. E' intuibile che la precisione richiesta per la 'bilancia' - termine riduttivo, ma giusto per capire - utilizzata, assieme ad altre tecniche per calcolare la dimensione delle particelle, comporta un costo che non è sostenibile da privati cittadini che vogliono conoscere qualcosa di più circa l'inquinamento dell'aria che respirano.

I sensori che abbiamo utilizzato si trovano in commercio per poche decine di Euro e proprio questo ha determinato il loro successo: senza la presunzione di fornire misure precise quanto gli strumenti ufficiali, questi sensori utilizzano una tecnica del tutto diversa per stimare la concentrazione delle polveri in atmosfera. Una piccola ventolina spinge un flusso (quantificato) di aria attraverso un microscopico raggio di luce laser. Le particelle di polvere, passando davanti alla sorgente luminosa, la disperdono ('scattering'), cioè riflettono parte della radiazione luminosa incidente in tutte le direzioni; un ricevitore ottico, posto in posizione opportuna, rileva questa radiazione riflessa, producendo un segnale elettrico misurabile e proporzionale al numero e dimensione delle particelle che attraversano il raggio laser. In questo modo è possibile perciò determinare il numero e la dimensione delle particelle aspirate.
Da queste informazioni, utilizzando delle tecniche di calcolo abbastanza complicate, viene stimata la massa delle particelle e quindi viene fornita una misura della loro concentrazione in µg/m3.

Da quanto detto, risulta evidente perciò che la misura fornita dallo strumento è basata su alcune ipotesi circa la forma e la sostanza di cui sono fatte le particelle e se tali ipotesi cambiano, cambia anche il valore mostrato dallo strumento.
Il sensore quindi viene calibrato in fabbrica utilizzando un particolare tipo di "fumo artificiale" (di solito simile al fumo prodotto dalla combustione della legna), ma, nell'ambiente reale, cambiando il tipo di sorgente inquinante (il riscaldamento delle abitazioni o i motori degli automezzi) le misure fornite saranno diverse. E' comunque importante sottolineare che le misure, pur dipendendo dal tipo principale di inquinante, saranno comunque affidabili, una volta posizionato in un certo ambiente: significa che se raddoppiano le particelle, raddoppia anche la misura fornita dallo strumento, o se si dimezza il numero di particelle, si dimezza pure il numero fornito dallo strumento.

Questo consente perciò di "tarare" le misure dello strumento in base al tipo di sorgente di particolato, o per un determinato luogo, utilizzando uno strumento di precisione posto nelle vicinanze e considerando un fattore di correzione per "interpretare" correttamente le misure fornite. Una volta tarato, lo strumento fornirà informazioni affidabili e ragionevolmente precise. Come già accennato sopra, esistono parecchi studi che confermano questo approccio e in fondo a questa pagina forniamo alcuni link ai risultati di tali indagini.
Qui sotto invece potete vedere quanto siano correlate le misure (medie giornaliere) effettuate a Cernusco con uno dei nostri sensori (PMS5003) e quelle fornite da ARPA per la centralina di Via Pascal a Milano (zona Città Studi), che si è dimostrata la più vicina alla nostra situazione.

Confronto tra i valori stimati col nostro strumento e quelli forniti da ARPA nel mese di dicembre 2020

La linea punteggiata, calcolata da Excel, è una parabola con equazione mostrata in figura; R2 = 0.9323 significa che i valori espressi dallo strumenti sono correlati al 93% con quelli di ARPA e questo è un valore molto alto (massimo 100%) che dà un'idea dell'affidabilità dello strumento (va anche tenuto conto che i due sensori sono a circa dieci chilometri di distanza, quindi le misure sono giustamente diverse, anche se di molto poco, perchè risentono di eventi locali).

Qualcuno si potrebbe chiedere, a questo punto, che senso abbia raccogliere questo tipo di dati, quando esistono reti istituzionali (ARPA) che hanno lo stesso compito e magari lo svolgono anche meglio.
E' una domanda legittima, ma, a nostro avviso, la risposta è altrettanto sensata. Vediamo perchè.

  1. Le centraline ARPA sono posizionate a notevole distanza una dall'altra e potrebbero non rilevare fenomeni di inquinamento puntuale o comunque limitato; inoltre non tutte le centraline presenti misurano tutti gli inquinanti: ad esempio, quella di Pioltello - Limito (geograficamente la più vicina a Cernusco) misura solo le PM10, non le PM2.5.
  2. Abbiamo visto a grandi linee come funzionano le centraline ARPA, quindi è chiaro che non possano fornire un monitoraggio istantaneo o comunque un andamento temporale, nelle 24 ore, dei livelli di polveri sottili: sono fatte per raccogliere le particelle in un tempo sufficientemente lungo (un giorno intero), fornendo poi solo il valore medio in quell'intervallo. I sensori "low cost" invece forniscono misure ogni secondo, o ogni minuto, proprio perchè contano le particelle in un dato volume e ne stimano la massa. E' possibile perciò monitorare l'andamento nella giornata, ipotizzando poi delle correlazioni con le condizioni meteorologiche, i flussi di traffico, i tempi di attività delle altre sorgenti di inquinamento, fornendo un quadro molto più completo. Naturalmente è sempre possibile calcolare il valore medio nelle 24 ore e confrontarlo con i valori di ARPA (come abbiamo fatto per costruire l'immagine mostrata poco sopra).
  3. Il basso costo dei sensori utilizzati e la loro soddisfacente affidabilità consentono di costruire delle reti di misura "indipendenti" e puntuali: ad esempio sarebbe possibile monitorare le polveri in vari punti della nostra città, confrontandone i livelli in relazione a scuole, arterie principali del traffico, orari di attività antropiche, condizioni meteo, costruendo una mappa dei luoghi da evitare in determinati orari o in certe condizioni. Il tutto consultabile da chiunque in qualunque momento. Esattamente questo è il motivo per cui, in varie parti del mondo (alcuni esempi sono linkati in basso), stanno nascendo reti di questo tipo, organizzate da associazioni o semplici cittadini, che sono state fondamentali per monitorare eventi anche molto pericolosi come gli incendi dell'estate scorsa in California o quelli ancora precedenti in Australia, monitorando lo spostamento delle masse d'aria sature di fumo. Fenomeni non sufficientemente coperti dalle larghe maglie delle reti istituzionali, impreparate per fenomeni così vasti e improvvisi. Anche noi abbiamo aderito ad una di queste reti, nata in Italia, di cui fa parte uno dei nostri strumenti. Tutti i dettagli nel seguito.
  4. Anche se riponiamo la massima fiducia in ARPA e nelle misure ufficiali fornite, riteniamo sempre legittimo e corretto che i cittadini e le associazioni svolgano un ruolo di controllo, con i mezzi che riescono ad attivare, per rendere ancora più affidabili e sicure le informazioni fornite dalle istituzioni. Distribuire la conoscenza e l'informazione tra più soggetti, anche quando è specialistica come in questo caso, rende l'intera società più giusta, più matura e più democratica ed aiuta a compiere un ulteriore piccolo passo in avanti alla cultura del Bene Comune, di cui appunto fanno parte anche beni immateriali come la conoscenza e l'informazione.

Veniamo ora a descrivere con qualche dettaglio in più le due centraline di cui ci siamo dotati.


CHE ARIA TIRA? la prima rete indipendente di centraline low cost per il monitoraggio della qualità dell'aria.
Abbiamo acquistato una delle centraline e stiamo finendo i collegamenti ed il posizionamento definitivo dello strumento.
Per ora la centralina è stata attivata in via Don Sturzo e le sue misurazioni sono consultabili a questo link. E' stata anche inserita nella mappa generale del progetto "Che aria tira?", visibile sul sito del progetto linkato sopra.

Qui trovate un articolo che la descrive nei dettagli con tutti i link relativi.

La centralina è costituita da un sensore SMS0011 che fornisce i dati ad un micro-computer Raspberry Pi, che a sua volta si occupa di formattarli correttamente e, dopo aver stabilito il collegamento con Internet via una rete WiFi locale, li invia al database del progetto "Che aria tira?", che li mette a disposizione di tutti via internet.

La nostra centralina della rete "Che Aria tira?"

La seconda centralina è simile nel funzionamento, ma non fa parte di una rete più ampia. Quindi i dati raccolti vengono versati in un database in Internet (ThingSpeak) e resi disponibili sul nostro sito (i due grafici all'inizio di questa pagina).
Nel dettaglio, usa un sensore PMS5003 di PlanTower, dotato però anche di un display che mostra tutti i dati raccolti. Il sensore viene controllato da un Raspberry Pi che lo interroga, raccoglie le risposte e invia i dati in internet via un WiFi locale. Una immagine del sensore nella foto che segue.

Lo strumento PMS5003 completo di display

Ecco una lista di altre reti 'indipendenti' che stanno raccogliendo informazioni sulla qualità dell'aria in varie parti del mondo:

Purple Air: Real Time Air Quality monitoring - An air quality monitoring network built on a new generation of "Internet of Things" sensors

Air Quality in Salt Lake City: Over the last few years, low-cost commodity sensors have hit the markets allowing — for the first time — the ability to measure hyperlocal air quality conditions outside of our homes. At the University of Utah, we are building infrastructure that utilizes these new sensors to create accurate measurements of air quality microclimates

Sensor.Community: Sensor.Community è una rete di sensori globale guidata dai collaboratori che crea Dati Ambientali Aperti. La nostra missione è ispirare e arricchire la vita delle persone offrendo una piattaforma per la curiosità collettiva nella natura che sia genuina, gioiosa e positiva.


Ecco alcuni studi circa la qualità delle misure fornite da sensori "low cost" come quelli utilizzati nelle nostre centraline.

Calibration of low-cost particulate matter sensors: Model development for a multi-city epidemiological study

Applications of low-cost sensing technologies for air quality monitoring and exposure assessment: How far have they gone?

Air Quality Sensor performance evaluation center