Un progetto pionieristico rileva pollini, polvere e fumo

Dall’inizio dell’anno, una sinergia di strumenti registra un ampio spettro di aerosol presso la stazione MétéoSuisse di Payerne. Questo progetto, sviluppato dall’EPFL, da MétéoSuisse e da partenariati europei, mira a migliorare le previsioni sui pollini e a comprendere meglio l’impatto cruciale di bioaerosol, fumo e polvere sul clima e sulla formazione delle nuvole.

Chiunque soffra di allergia ai pollini conosce le mappe di previsione dei pollini rosse e gialle prodotte da MeteoSvizzera. Queste previsioni sono diventate strategiche per la salute pubblica in considerazione dei picchi storici di pollini in Svizzera, con nuovi valori record registrati questa primavera. MétéoSuisse ha unito le forze con l’EPFL, l’Università Tecnologica Nazionale di Atene (UTNA) e la Fondazione per la Ricerca e la Tecnologia in Grecia (FORTH) per estendere e perfezionare queste previsioni. Dall’inizio dell’anno sono stati installati numerosi strumenti presso la stazione meteorologica di Payerne. La loro installazione simultanea è unica al mondo ed è stata sostenuta dal Consiglio Europeo della Ricerca, uno dei più prestigiosi programmi di finanziamento, e dal progetto "Pyrogenic TRansformations Affecting Climate and Health ( PyroTRACH )".

La struttura mira a rilevare non solo una maggiore diversità di pollini rispetto a quella attuale - anche attraverso un lavoro pionieristico di telerilevamento laser verticale - ma anche altri fattori che causano allergie e stress ossidativo, come spore fungine, batteri, polvere e particelle di fumo provenienti da incendi boschivi. L’obiettivo è anche quello di migliorare le previsioni sui pollini e sulla formazione delle nuvole.

Il lidar produce misurazioni in 3D

Da maggio è stato installato un lidar nel container del laboratorio dell’EPFL, vicino all’ingresso dell’edificio centrale di MétéoSuisse. Lo strumento è costituito da un laser UV pulsato, accoppiato a un telescopio ricevente e a sistemi elettro-ottici. Rileva in tempo reale la luce retrodiffusa dalle particelle e, durante la notte, il "bagliore" che esse generano quando il laser le colpisce. Lo spettro di colori che ne deriva fornisce un’impronta digitale unica che si illumina per identificare pollini, spore fungine e batteri presenti nell’aria, oltre a particelle di fumo e polvere. Esistono solo quattro strumenti di questo tipo in funzione nel mondo, tutti altamente sperimentali. Lo strumento dell’EPFL è il più avanzato in termini di capacità.

I segnali del lidar vengono raccolti ogni 7 minuti, con una risoluzione spaziale di 3,5 metri e una risoluzione spettrale di 6 nanometri, con un raggio d’azione che può raggiungere la troposfera libera, a un’altitudine di circa 2 o 3 chilometri. Inoltre, questo lidar, dotato di un filtro spettrale esteso, è in grado di differenziare le particelle di origine vivente (biogeniche) dalle altre, dal suolo fino a 4-5 chilometri di altitudine, con una risoluzione temporale di 3-5 minuti e una risoluzione spaziale di 3,5 metri, producendo misure 3D. Ciò lo differenzia dalle attuali misurazioni 2D effettuate a livello del suolo.

Dietro questa invenzione c’è il professor Alexandros Papagiannis, che da 40 anni conduce ricerche in questo campo. È affiliato all’UTNA e all’EPFL come visiting professor nel Laboratory of Atmospheric Processes and their Impacts (LAPI). Grazie a una sovvenzione per la strumentazione fornita dall’EPFL e al sostegno finanziario del LAPI e di PyroTRACH, i professori Papayannis e Nenes hanno acquisito i componenti di base del sistema e sono stati in grado di lanciare questa campagna di osservazione denominata PERICLÈS, in omaggio alle loro origini greche (PayernE lidaR and Insitu detection of fluorescent biomass burning, bioaerosol and dust partiCLES and their cloud impacts).

Apprendimento automatico e analisi degli aerosol

Sul tetto della stazione meteorologica di Payerne si trovano numerosi altri strumenti monitorati da Sophie Erb, dottoranda presso MétéoSuisse e il Laboratorio di telerilevamento ambientale dell’EPFL, e da Kunfeng Gao, studente post-dottorato presso il LAPI. Sophie Erb gestisce una fotocamera che scatta foto di grani di polline e spore fungine fino a dieci volte al secondo. Una volta ricostruite in 3D, queste immagini le permettono di addestrare una macchina a riconoscerle, per identificare il tipo di organismo a cui appartiene il granello di polline o la spora e migliorare e arricchire le mappe di previsione.

Kunfeng Gao analizza la concentrazione e le dimensioni degli aerosol nell’aria intrappolandoli in una piccola ampolla di acqua in movimento, nota come "ciclone umido". Meglio di un filtro, questo tipo di cattura raccoglie polvere e altre particelle insolubili, evitando di distruggere particelle biologiche sensibili come i batteri. Le particelle vengono poi congelate per analizzarne la composizione chimica e genomica, al fine di valutarne l’impatto sulla salute. Questa fase dovrebbe anche aiutare gli scienziati a capire meglio come queste particelle contribuiscono alla formazione del ghiaccio nelle nuvole e quindi alle precipitazioni. Il campionamento viene effettuato in coordinamento con Kalliopi Violaki, collaboratore scientifico del LAPI ed esperto di chimica analitica, chimica atmosferica e bioaerosol.

Particelle di fumo

Il lidar impiegato dall’EPFL può anche vedere la provenienza delle particelle e valutarne la quantità in tempo reale dal suolo e fino a 4-5 chilometri di altezza. A maggio e giugno, per esempio, lo strumento ha mostrato che l’aria svizzera era carica di particelle di fumo provenienti da incendi in Canada e negli Stati Uniti. Più recentemente, sono stati gli incendi in Germania ad offuscare l’aria del Paese. "L’impatto di questi aerosol sulla salute è totalmente sottovalutato al momento, quindi è assolutamente necessario capire meglio cosa sta succedendo", sottolinea il professor Athanasios Nenes, direttore del laboratorio LAPI, che guida questo progetto di ricerca svizzero ed europeo. "Al momento siamo spesso ciechi di fronte a ciò che si trova sopra le nostre teste, soprattutto quando si tratta di bioaerosol e particelle di fumo.

Il professore spera quindi di poter contribuire un giorno alla produzione di nuovi dati in tempo reale per scopi di salute pubblica. Nel frattempo, le previsioni sui pollini possono già trarre vantaggio dal lidar: "Ora possiamo vedere che c’è un reale margine di miglioramento nei modelli di previsione, perché i picchi di polline continuano a salire e scendere nello stesso giorno. Le concentrazioni più elevate si registrano durante il giorno", afferma il professor Papagiannis.