Quali strumenti per la misura di PM2.5 e di PM10 ?

La misura della concentrazione atmosferica degli inquinati atmosferici, se
effettuata ai sensi della normativa europea, deve essere condotta con l’uso di
strumentazione e di metodiche definite dalla normativa stessa, al fine di garantire
la confrontabilità dei dati rilevati da soggetti diversi e in contesti ambientali
diversi, in modo da ottenere uniformità nella valutazione della qualità dell’aria
rispetto ai valori di riferimento, anch’essi stabiliti dalle norme.
Nel caso del materiale particolato (polveri), la norma stabilisce che il metodo di
riferimento sia quello “manuale” ovvero si deve impiegare una pompa di
aspirazione che faccia passare il flusso di aria atmosferica attraverso un filtro per
24 ore consecutive. La quantità di polvere che si raccoglie sul filtro viene
determinata per differenza fra la massa del filtro “pulito” e quella del filtro
“sporco”. Le masse dei filtri vengono determinate attraverso la pesata su bilancia
gravimetrica (una bilancia tradizionale con adeguata sensibilità), previo
condizionamento a temperatura e umidità controllate. La concentrazione di
polvere è data dal rapporto fra la quantità di polvere e il volume di aria aspirato.
Per determinare le polveri con dimensione granulometrica inferiore a 10 micron
(PM10) o a 2.5 micron (PM2.5), in testa alla linea di aspirazione viene posto un
apposito selettore che elimina (con approssimazione) le particelle più grandi di
10 o di 2.5 micron.
La norma fissa i diversi parametri in gioco quali portata di aspirazione e durata di
campionamento, dimensioni dei filtri, caratteristiche di macro e di microscala del
sito di rilevamento, etc…

Il metodo di riferimento richiede, come è evidente, grande impiego di personale
specializzato e, per tale motivo, gli Enti preposti (es. le ARPA) utilizzano, ormai
universalmente, strumentazione automatica “certificata equivalente” al metodo di
riferimento ovvero apparecchi che siano stati testati da soggetti incaricati di
verificare le loro prestazioni e che forniscono, a parità di condizioni, valori
analitici uguali a quelli forniti dal metodo di riferimento.

Questi strumenti replicano automaticamente le operazioni che dovrebbero
essere svolte manualmente. Sostituiscono il filtro campionato con uno pulito ogni
24 ore, tipicamente alle ore 24, e misurano la quantità di polvere raccolta su
ciascun filtro mediante una pesata. La bilancia utilizzata non è quella classica
gravimetrica bensì quella detta “a raggi beta”. Si tratta di un sistema che è reso
facilmente automatizzato e che sfrutta il principio di assorbimento di elettroni da
parte della materia. In pratica, un fascio di elettroni (raggi beta) che attraversa
prima un filtro pulito e poi il medesimo filtro con la polvere raccolta nell’arco di 24
ore, subisce un’attenuazione (rilevata tramite un contatore Geiger) proporzionale
alla massa. La differenza fra le due letture è proporzionale alla quantità di polvere raccolta sul filtro.

Rispetto al metodo manuale, hanno anche il vantaggio
di mettere a disposizione il dato analitico del giorno precedente entro poche ore
dalla conclusione del ciclo e non a distanza di almeno 48-72 ore come avviene,
inevitabilmente, con il metodo manuale.
Il costo degli apparecchi a raggi beta è nell’ordine delle decine di migliaia di euro
e, peraltro, richiedono una costosa logistica di posizionamento (cabina
climatizzata, sistema di acquisizione, archiviazione e trasmissione dati), nonché
importanti costi di manutenzione preventiva e correttiva.

Tuttavia, rilevare PM10 e PM2.5 a scopi diversi dalla verifica dello stato della
qualità dell’aria come obbligo che nasce dall’appartenenza alla UE, è possibile e
viene effettuato in molti altri casi con l’uso di strumentazione e metodologia molto
meno costosa e talvolta, anche più efficiente ed esauriente (ad esempio negli
ambienti di lavoro e per studi indoor).
Le attuali tecnologie hanno messo a disposizione dispositivi elettronici
miniaturizzati e poco costosi in grado di comportarsi come sensori di vari
inquinanti. Nel caso delle polveri, si tratta di dispositivi che usano il principio della
diffusione (scattering) di radiazione laser da parte delle particelle di polvere
sospese in un flusso continuo di aria.
E’ chiaro che questo principio ottico (diffusione della luce) ha ben poco a che
vedere con quello del metodo di riferimento o degli strumenti equivalenti
(determinazione di massa) e questo è il motivo tecnico per il quale non è facile
ottenere la certificazione di equivalenza di questi sistemi lowcost. Infatti,
diversamente dagli altri inquinanti ben caratterizzati sotto il profilo chimico
(molecola definita come, ad esempio, SO2 per anidride solforosa, o CO per
ossido di carbonio), misurare le polveri vuol dire “leggere” un mix estremamente
complesso di sostanze molto varie per caratteristiche chimiche (acide, basiche,
organiche, inorganiche) e per caratteristiche fisiche (cristalline, amorfe, solide,
liquide, dimensione e conformazione delle particelle, colore, etc…).
Caratteristiche che, peraltro, possono variare anche sensibilmente in siti diversi e
in periodi stagionali diversi.
Nonostante questa complessità, gli strumenti scattering laser possono ben
svolgere il loro compito nella maggior parte dei casi ,una volta verificate le loro
prestazioni rispetto a strumenti campione e con un minimo di controllo periodico.
Tutto ciò premesso, in linea generale si osserva che la differenza fra le misure
ARPA e quelle con strumenti laser tende a diventare significativa in circostanze
particolari ovvero quando le concentrazioni di PM10 o PM2.5 (istantanee o come
medie di breve periodo) risultano molto elevate (tipicamente oltre 100-150
microg/m3). Si tratta di condizioni ambientali che si verificano in ambiti
penalizzati sotto il profilo meteorologico e orografico (es nebbie invernali in
pianure fortemente antropizzate). In queste circostanze, anche in presenza di
strumenti ben tarati, si osserva una sovrastima dei laser rispetto ai gravimetrici,
sovrastima che risulta dal confronto con le medie di 24 ore, visto che il metodo ARPA determina solo quelle.
Fra i principali motivi della discrepanza se ne possono citare due.
In primo luogo, il materiale particolato “invernale” è caratterizzato dalla presenza
di importanti quantità di sostanze organiche, originate principalmente dalla
incompleta combustione in impianti termici. Le sostanze organiche (es fuliggine)
hanno un peso specifico relativamente basso e, a parità di numero di particelle,
hanno una massa ridotta (pesano meno!) rispetto a quelle di natura inorganica
prevalenti in periodo estivo, mentre la misura laser è indipendente dal peso
specifico.
In secondo luogo, il materiale particolato “invernale” contiene una certa quantità
di sostanze volatili quali acqua come umidità ma anche sali quali nitrato e solfato
di ammonio (che si formano in atmosfera). Il sistema di misura ARPA si basa
sull’accumulo della polvere su un filtro tenuto sotto flusso per 24 ore. Durante
questo tempo, stante anche la temperatura all’interno dello strumento
generalmente superiore a 20°C e quindi certamente più alta di quella esterna, la
maggior parte del materiale volatile viene perso e quindi non contribuisce alla
massa determinata a fine periodo. Diversamente, gli strumenti laser leggono la
concentrazione nel flusso continuo dell’aria atmosferica e quindi “vedono” anche
la frazione volatile. E’ chiaro che nel calcolo della media di 24 ore rientra anche il
contributo della quota di materiale volatile non presente sul filtro utilizzato nella
pesata gravimetrica o con bilancia a raggi beta. Questo fenomeno si
verificherebbe anche se si misurasse il PM raccolto su filtri letti con cadenza
oraria anziché giornaliera: la media calcolata come media dei 24 valori orari
risulterebbe superiore al valore determinato su un unico filtro di 24 ore perché la
perdita di frazione volatile sarebbe molto contenuta.
Infine, in taluni casi specifici, è sempre possibile che la differenza fra i dati di uno
strumento laser e di una centralina ARPA, una volta escluse cause cogenti
(ubicazione, quadro emissivo locale, possibili schermature, etc…), dipendano da
non ottimale taratura. Si tenga conto che la misura laser tende a divenire
esponenziale al crescere della concentrazione. Di conseguenza, occorre
adottare fattori di calibrazione che, per ricondurre a valori corretti di
concentrazione, divengono molto elevati all’aumentare del livello ambientale di
PM. Determinare questi fattori con precisione è operazione non agevole e non è
escluso che debba essere ripetuta periodicamente. A parziale attenuazione
dell’eventuale errore, si consideri che il problema della sovrastima si verifica,
usualmente, solo per valori istantanei molto elevati che si registrano solo in siti e
periodi particolari.
A conclusione di questa breve nota, si tenga conto che gli strumenti laser auto
costruiti nell’ambito dell’iniziativa”Che aria tira?” hanno un costo due ordini di
grandezza inferiore a quelli certificati e un ordine di grandezza inferiore a quelli
laser dotati di dispositivi accessori che aumentano la l’accuratezza della misura
(ad esempio effettuando automaticamente una periodica verifica di zero).

– a cura di Daniele Grechi, Chimico Ambientale –

Quali criteri di posizionamento sono stati adottati?

Uno degli obbiettivi della nostra rete di centraline è valutare l’esposizione della popolazione dell’area metropolitana fiorentina all’inquinamento atmosferico.

Le centraline sono poste, generalmente, ad una quota sul livello stradale non superiore al 1° piano, per rispettare la norma che prevede di campionare l’aria a 1,5-4,0 m, in modo da monitorare l’aria che si respira.

Tutte le nostre centraline, prima di essere posizionate, sono tarate rispetto a uno strumento di riferimento, il sensore Qbit.

Tra le nostre centraline ve ne sono 6 i cui dati verranno costantemente validati dalla Società per l’Epidemiologia e la Prevenzione Giulio A. Maccacaro, Impresa Sociale srl.

L’operazione di validazione consiste nell’esame dei dati da parte di un soggetto esperto, ovvero in grado di riconoscere eventuali anomalie dovute a malfunzionamenti degli strumenti. In tal caso, i dati ritenuti errati vengono eliminati. La validazione verrà effettuata, di norma, una volta alla settimana.

Le polveri fini perchè

Le nostre centraline misurano la concentrazione di polveri fini nell’aria che respiriamo, ossia la concentrazione di polveri del diametro inferiore a 10 micron e la concentrazione di polveri del diametro inferiore a 2.5 micron. Indichiamo queste polveri con le sigle PM10 e PM2.5 rispettivamente. PM è l’acronimo per il termine inglese “Particulate matter”.

Osserviamo che le PM2.5 sono una frazione delle PM10, quindi la concentrazione di PM2.5 rilevata dovrà essere sempre inferiore a quella di PM10, altrimenti significa che lo strumento non sta rilevando correttamente. Anche la composizione delle polveri è importante, inalare le polveri significa inalare i composti chimici di cui sono costituite. Più le polveri sono fini e più è alta la loro capacità di penetrare nel nostro organismo. La composizione chimica delle polveri dipende dalle diverse sorgenti inquinanti, e può essere misurata con sensori dotati di filtri che raccolgono le polveri, successivamente analizzate in laboratorio. Si tratta di indagini molto costose sia per la modalità di campionamento della polvere, peraltro da effettuare per molti giorni all’anno, sia per i costi di laboratorio.

Ci siamo concentrati sul rilevamento della concentrazione delle PM2.5 e PM10 perché

  1. sono estremamente dannose, su questo le evidenze scientifiche sono ormai incontrovertibili
  2. sono un inquinante aspecifico, ossia sono prodotte da diverse fonti e danno una misura dell’inquinamento atmosferico globale
  3. per le polveri fini sono disponibili sensori a basso costo di una certa affidabilità.

Cosa prevede la normativa italiana e internazionale?

– PM 2.5 –

Per le PM2.5 l’OMS (organizzazione mondiale della sanità) prevede, come valori soglia:

  • MEDIA ANNUALE 10 μm/m3. Quindi, superare, come media annuale, questa concentrazione, è dannoso per la salute umana .
  • MEDIA GIORNALIERA 25 μm/m3, Quindi, superare, come media giornaliera (24 ore), questa concentrazione, è dannoso per la salute umana.

La normativa italiana invece, prevede, come valori soglia:

  • MEDIA ANNUALE 25mu/m3 ossia, superare, come media annuale, questa concentrazione, è dannoso per la salute umana.
  • MEDIA GIORNALIERA: Per la media GIORNALIERA invece non ci sono valori di riferimento.

– PM 10 –

Per le PM10 l’OMS (organizzazione mondiale della sanità) prevede, come valori soglia:

  • MEDIA ANNUALE 20μm/m3 . Quindi, superare, come media annuale, questa concentrazione, è dannoso per la salute umana.
  • MEDIA GIORNALIERA 50 μm/m3. Quindi, superare, come media giornaliera (24 ore), questa concentrazione, è dannoso per la salute umana.

La normativa italiana, invece, prevede come valori soglia:

  • MEDIA ANNUALE 40 μm/m3. Quindi, superare, come media annuale, questa concentrazione, è dannoso per la salute umana.
  • MEDIA GIORNALIERA 50 μm/m3. Quindi, superare, come media giornaliera (24 ore), questa concentrazione, è dannoso per la salute umana. La media giornaliera non va superarsi per più di 35 volte per anno civile.

 

Con valori di PM sotto le soglie di legge, la nostra salute è garantita?

Assolutamente no. Sia le medie dell’OMS (Organizzazione mondale della sanità), sia le medie italiane, ancora più elevate, non garantiscono la nostra salute. L’organizzazione mondiale della sanità, sulla base delle evidenze scientifiche, sta rivedendo i valori soglia, per abbassarli ulteriormente. E’ evidente che la normativa europea e, di conseguenza, quella italiana si troveranno ad avere valori limite ben superiori a quelli indicati dall’OMS, con incremento delle differenze già oggi notevoli.

Il rispetto della normativa italiana quindi non rappresenta assolutamente una garanzia per la nostra salute. Vedere per esempio articolo del Corriere della Sera “L’inquinamento dell’aria uccide (anche a dosi ammesse per legge)

Nelle nostre legende, la gradazione di colori indica concentrazioni crescenti, e rappresenta l’aumento del rischio per la salute umana. Il rischio riguarda patologie precise, prime tra tutte tumori e malattie cardiovascolari.