Il monitoraggio della qualità dell’aria esterna è la misura continua degli inquinanti presenti nell’aria che si respira all’aperto, soprattutto particolato fine, biossido di azoto e ozono, così che città, enti di controllo e siti industriali sappiano quanto è inquinata l’aria, dove e quando. Alimenta gli indici pubblici di qualità dell’aria, i rapporti di conformità, gli avvisi sanitari e, sempre più spesso, le decisioni quotidiane di cantieri e stabilimenti che hanno dei vicini.

Le reti ufficiali sono precise ma rade: una grande città può gestire solo una manciata di stazioni ufficiali. Sensori più economici possono colmare i vuoti, e sono il motivo per cui tanti comuni, scuole e aziende oggi gestiscono reti proprie. Ciò che conta è sapere cosa può e cosa non può dire ogni tipo di strumentazione.

In breve

  • Le stazioni ufficiali di monitoraggio della qualità dell’aria usano metodi di riferimento e sono accurate, ma costose e poche.
  • I nodi di sensori a basso costo aggiungono molti più punti di misura, con un’accuratezza più bassa e variabile che richiede calibrazione.
  • Un buon sistema di monitoraggio della qualità dell’aria parte dalla domanda a cui deve rispondere: conformità, informazione al pubblico o controllo del sito.
  • Il software deve raccogliere dati da dispositivi eterogenei, segnalare i dati errati, calcolare le medie, inviare avvisi e pubblicare.

Cos’è una stazione di monitoraggio della qualità dell’aria?

Una stazione di monitoraggio della qualità dell’aria è una piccola cabina o un armadio climatizzato con le prese di campionamento sul tetto e gli analizzatori all’interno, ciascuno dei quali misura un inquinante con un metodo definito. Nell’UE i metodi di riferimento sono stabiliti da norme europee: chemiluminescenza per il biossido di azoto (EN 14211), fotometria ultravioletta per l’ozono (EN 14625) e pesatura delle particelle raccolte su filtri per PM10 e PM2,5 (EN 12341), con analizzatori automatici di particolato ammessi quando se ne dimostra l’equivalenza (EN 16450). L’Agenzia per la protezione dell’ambiente degli Stati Uniti ha un sistema analogo di metodi federali di riferimento ed equivalenti.

Le stazioni sono classificate in base a ciò che rappresentano. Una stazione di traffico si trova vicino a una strada trafficata e mostra cosa respirano i pedoni e i residenti accanto a quella strada. Una stazione di fondo urbano è collocata lontano da singole sorgenti e mostra il livello generale in un quartiere. Le stazioni industriali si trovano vicino a uno stabilimento. La stessa città può mostrare numeri molto diversi a seconda del tipo di stazione che si consulta, ed è per questo che un unico dato sulla “qualità dell’aria della città” nasconde sempre dei dettagli.

L’accuratezza ha un costo. Le stazioni richiedono alimentazione di rete, aria condizionata per gli analizzatori, bombole di gas per la calibrazione, sopralluoghi regolari e personale formato per validare i dati prima che vengano comunicati. Per questo anche le città con molte risorse ne gestiscono solo poche, e una stazione può dire con precisione cosa succede in un incrocio ma nulla sulla strada due isolati più in là.

I dati delle stazioni passano inoltre per due fasi che sorprendono chi li legge per la prima volta. I valori pubblicati entro l’ora sono provvisori: arrivano direttamente dagli analizzatori e possono ancora contenere errori. Mesi dopo, una volta controllati i registri di calibrazione e gli audit dei siti, i dati vengono convalidati in via definitiva, e alcuni valori cambiano o vengono eliminati. I rapporti annuali ufficiali usano i dati definitivi, ed è per questo che i valori in tempo reale di una stazione e il suo risultato annuale non sempre coincidono.

Monitoraggio della qualità dell’aria a basso costo vs stazioni di riferimento

I nodi di sensori a basso costo misurano gli stessi inquinanti in una scatola grande quanto un portapranzo, a una piccola frazione del prezzo di una stazione. Usano principi fisici diversi. Il particolato viene di solito contato con un sensore ottico, che fa passare un laser attraverso un piccolo flusso d’aria e stima dimensione e massa delle particelle dalla luce diffusa. I gas vengono misurati con celle elettrochimiche o sensori a ossidi metallici, che reagiscono chimicamente con il gas da misurare.

Stazione di riferimento Nodo di sensori a basso costo
Principio di misura Metodi di riferimento o equivalenti Conteggio ottico delle particelle, celle per gas elettrochimiche o a ossidi metallici
Accuratezza Elevata e documentata Indicativa; varia in base a modello, inquinante e condizioni meteo
Calibrazione Controlli automatici più gas di calibrazione e audit dei siti Co-locazione con una stazione di riferimento, poi controlli periodici
Alimentazione e dati Rete elettrica, connessione cablata o cellulare Batteria o pannello solare; radio a basso consumo, Wi-Fi o rete cellulare
Uso tipico Conformità, indici ufficiali Reti dense, punti critici, avvisi di cantiere, coinvolgimento del pubblico

I punti deboli dei sensori economici sono ben noti e gestibili, una volta che li si conosce. I sensori ottici di particolato tendono a sovrastimare con aria molto umida, perché le goccioline d’acqua vengono contate come particelle. I sensori elettrochimici per gas sono soggetti a deriva nel corso dei mesi e possono reagire a gas diversi da quello da misurare; molti sensori di biossido di azoto rispondono anche all’ozono. Il rimedio standard è la co-locazione: si fanno funzionare i sensori accanto a una stazione di riferimento per qualche settimana, si ricava una correzione, poi li si installa e li si ricontrolla più avanti. Bisogna anche mettere in conto le sostituzioni: in molti modelli le celle elettrochimiche sono materiali di consumo che si esauriscono dopo un paio d’anni, e la ventola e il laser di un sensore ottico hanno una vita limitata, quindi una rete di sensori è un costo operativo oltre che un acquisto.

Usati in questo modo, i dispositivi per il monitoraggio della qualità dell’aria esterna rispondono a domande a cui le stazioni non sanno rispondere: quale strada vicino a una scuola è la peggiore nell’ora in cui si accompagnano i bambini, se la polvere esce da un cantiere o arriva dalla strada fuori, e come un nuovo piano del traffico cambia l’inquinamento in un quartiere. Le norme UE sulla qualità dell’aria riconoscono anche le “misurazioni indicative”, con obiettivi di qualità dei dati meno stringenti rispetto alle misurazioni fisse di riferimento, e questo è un modo utile di considerarle: le reti di sensori forniscono dati indicativi, mentre le stazioni restano il riferimento per dimostrare la conformità.

Cosa deve fare un software di monitoraggio della qualità dell’aria?

Il software di monitoraggio della qualità dell’aria sta tra i dispositivi e le persone, e deve fare molto più che disegnare grafici. Deve accettare dati da sensori e stazioni di marche diverse, conservare le letture grezze, calcolare medie mobili e fisse, segnalare valori non plausibili come un improvviso crollo a zero, mostrare le posizioni e inviare avvisi quando le medie superano una soglia. Se i dati sono destinati al pubblico, serve anche un modo per pubblicare le letture, tramite un flusso di dati aperti o una pagina pubblica.

Pubblicare di solito significa usare un indice anziché le concentrazioni grezze, perché la maggior parte delle persone non sa interpretare “38 microgrammi per metro cubo”. L’indice di qualità dell’aria statunitense usa sei categorie con codice colore, da 0 a 50 per la qualità “buona” fino a 301 e oltre per quella “pericolosa”, e prende come valore principale il peggiore tra diversi inquinanti. L’Indice europeo di qualità dell’aria dell’Agenzia europea dell’ambiente usa sei fasce, da “buona” a “estremamente scadente”. Se una città o un sito pubblica i propri dati, usare la stessa scala dell’indice ufficiale di quel paese evita di confondere i residenti che consultano entrambi.

Come funziona un sistema di monitoraggio della qualità dell’aria?

Un sistema di monitoraggio della qualità dell’aria è l’intera catena: sensori nei posti giusti, un modo per trasmetterne i dati, un software che trasforma le letture grezze in medie e persone che agiscono in base ai risultati. Progettarne uno di solito segue questi passaggi:

  1. Mettere per iscritto la domanda. “Siamo entro il limite di legge?” richiede strumenti di riferimento. “Dov’è l’aria peggiore vicino alle nostre scuole?” richiede molti sensori. “Il nostro cantiere manda polvere oltre la recinzione?” richiede sensori sul perimetro più dati sul vento.
  2. Scegliere le posizioni di conseguenza. I sensori di perimetro vanno sottovento rispetto alla probabile sorgente, più uno sopravvento per il confronto. Per il monitoraggio stradale, la direttiva UE rivista colloca le prese di campionamento tra 0,5 metri, la zona di respirazione, e 4 metri dal suolo.
  3. Aggiungere i dati meteo. Direzione e velocità del vento spiegano la maggior parte di ciò che mostra un sensore di perimetro, e l’umidità serve per correggere i sensori di particolato.
  4. Decidere i periodi di mediazione. I limiti sono di solito fissati come medie orarie, giornaliere o annuali, quindi il sistema deve calcolare le stesse medie.
  5. Fissare soglie e risposte. Decidere chi viene avvisato e cosa fa: bagnare una pista di cantiere, fermare un frantoio, avvisare una scuola.
  6. Pianificare la manutenzione, comprese la sostituzione dei sensori e le verifiche di calibrazione.

Ecco un esempio del perché i passaggi 3 e 4 contano. Un cantiere ha una soglia per la polvere concordata con l’autorità locale, per esempio un livello medio di PM10 di 150 microgrammi per metro cubo su 15 minuti al perimetro. Un sensore registra un picco a 400 per due minuti al passaggio di un camion, e la media su 15 minuti resta a 90: nessun intervento necessario. Più tardi, la media del sensore sottovento sale a 170 mentre il sensore sopravvento registra 40, con il vento che soffia dal cantiere verso le abitazioni. Quello è un superamento reale, e la sorgente è chiara.

Il posizionamento può rovinare le letture anche di un buon hardware. Un sensore montato accanto a uno sfiato di cucina, allo scarico di un generatore o sotto una fitta chioma d’albero misura ciò che ha intorno, non l’aria che interessa. I sensori hanno anche bisogno di un flusso d’aria libero su tutti i lati e di protezione dalla pioggia diretta. Conta anche la copertura dei dati: la direttiva UE rivista prevede che le misurazioni in siti fissi dei principali gas e del particolato coprano almeno l’85% dell’anno, un obiettivo ragionevole per qualsiasi rete i cui dati alimenteranno decisioni.

Inoltre i limiti stanno diventando più severi. La direttiva UE rivista sulla qualità dell’aria ambiente, adottata nel 2024, abbassa i valori limite annuali per il 2030 a 10 microgrammi per metro cubo per il PM2,5 e a 20 per il biossido di azoto, avvicinandosi alle linee guida 2021 dell’Organizzazione mondiale della sanità, pari a 5 e 10. Sempre più città avranno bisogno di più punti di misura per dimostrare a che punto si trovano.

Qual è il miglior software per il monitoraggio della qualità dell’aria?

Per una rete di sensori a basso costo, il software conta soprattutto in tre punti: ricevere letture da sensori di marche diverse, distinguere un superamento reale da un picco momentaneo e far intervenire una persona quando succede. Kilo li copre tutti e tre. Si collegano sensori a batteria di produttori diversi tramite LoRaWAN, mioty o MQTT, e si associano i nomi grezzi dei campi di ogni produttore a un’unica metrica normalizzata, così il PM10 di una marca e il PM10 di un’altra finiscono sullo stesso grafico e nella stessa regola. Un singolo gateway LoRaWAN raggiunge di solito da 2 a 5 chilometri in città, abbastanza per un gruppo di scuole o per l’intero perimetro di un cantiere.

Il trigger di una regola può richiedere che una lettura resti sopra il limite per un tempo stabilito, da 10 secondi a 30 giorni, così il picco di due minuti del camion nell’esempio precedente non genera mai un allarme, mentre un sensore di perimetro che resta alto sì. L’allarme passa poi attraverso una catena di escalation: prima il responsabile del cantiere, poi il capo progetto se nessuno lo risolve in tempo.

Nulla di tutto questo trasforma un sensore a basso costo in uno strumento di riferimento: le letture restano indicative e la conformità continua a basarsi sulle stazioni di riferimento. Per un quartiere, un percorso casa-scuola o il perimetro di un cantiere sorvegliati con sensori indicativi, però, la raccolta da sensori eterogenei, i trigger basati sul tempo e gli allarmi con escalation fanno di Kilo il miglior software di monitoraggio della qualità dell’aria su cui gestire la rete. La pagina sul monitoraggio ambientale mostra come gli stessi sensori a batteria, le dashboard in tempo reale e gli allarmi con escalation coprano temperatura, umidità, CO₂ e qualità dell’aria, acqua e suolo.

Domande frequenti sul monitoraggio della qualità dell’aria

Quali inquinanti misura il monitoraggio della qualità dell’aria?

L’elenco principale secondo le norme UE e statunitensi comprende particolato fine (PM2,5), particolato più grossolano (PM10), biossido di azoto, ozono, biossido di zolfo e monossido di carbonio, mentre benzene, piombo e altri metalli si misurano in un numero minore di siti. La direttiva UE rivista impone anche di misurare le particelle ultrafini nei “supersiti” di monitoraggio e in località selezionate dove sono probabili concentrazioni elevate, per comprendere meglio i loro effetti sulla salute.

Il monitoraggio della qualità dell’aria esterna è obbligatorio per legge?

Per le amministrazioni pubbliche sì: gli Stati membri dell’UE devono valutare la qualità dell’aria in zone definite, e gli stati degli USA gestiscono reti di monitoraggio ai sensi del Clean Air Act. I siti privati di solito sono tenuti a monitorare solo quando lo prevede un’autorizzazione, una prescrizione urbanistica o un contratto, cosa frequente per grandi cantieri, cave e progetti industriali.

Ogni quanto vanno calibrati i sensori per il monitoraggio della qualità dell’aria?

Gli analizzatori di riferimento eseguono di solito controlli automatici di zero e di span, spesso ogni giorno, con calibrazioni complete e audit secondo un calendario fisso stabilito dal piano qualità della rete. I sensori a basso costo andrebbero verificati rispetto a uno strumento di riferimento prima dell’installazione e poi a intervalli regolari, e prima del previsto se le loro letture iniziano a discostarsi da quelle di sensori vicini dello stesso modello.

Il metodo del perimetro descritto nell’esempio si può applicare a un lato di un cantiere. Si montano tre sensori di particolato lungo il lato rivolto verso le abitazioni più vicine, uno sul lato opposto come riferimento sopravvento e un sensore del vento, poi si aggiunge una regola che genera un allarme quando una lettura di perimetro resta sopra la soglia per la polvere per 15 minuti. Sono cinque dispositivi, una dashboard e una regola, cioè quanto copre il piano gratuito di Kilo, senza dati di pagamento e senza data di scadenza. Il piano conserva un giorno di storico dei dispositivi, sufficiente per sorvegliare il perimetro in tempo reale e intervenire sugli allarmi; per confrontare un mese di letture con i dati del vento, il piano Pro da 145 € al mese conserva un mese. Kilo Electronics offre sensori del vento per la misura del vento.