Em maio passado, A Prefeitura de Paris lançou "Pollutrack", uma frota de microssensores colocados nos tetos dos veículos que trafegam pela capital para medir em tempo real o nível de partículas finas presentes no ar. Um ano antes, Rennes propôs que os residentes participassem da avaliação da qualidade do ar por meio de sensores individuais.

Por muitos anos, altas concentrações de partículas finas na França têm sido observadas regularmente, e a poluição do ar tornou-se um grande problema de saúde. Todos os anos na França, 48, 000 mortes prematuras estão relacionadas com a poluição do ar.

O inverno de 2017 foi um excelente exemplo desse fenômeno, com níveis diários chegando a 100µg / m ³ em certas áreas, e com as condições estagnando por vários dias devido aos padrões de clima frio e anticiclônico.

Pollutrack:des capteurs de poluição sur des véhicules établissent une carte de la poluição de Paris https://t.co/dmlQJmdAWk pic.twitter.com/OfRT7QIni2

- Vivre Paris (@vivreparis) 29 de maio 2017

Um esboço policial da partícula fina

Uma partícula fina (material particulado, abreviado PM) é caracterizado por três fatores principais:seu tamanho, natureza e concentração.

Seu tamanho, ou melhor, seu diâmetro, é um dos fatores que afetam a nossa saúde:os PM10 têm diâmetro que varia de 2,5 a 10μm; PM2.5, um diâmetro inferior a 2,5 μm. A título de comparação, uma partícula é aproximadamente 10 a 100 vezes mais fina do que um fio de cabelo. E este é o problema:quanto menores as partículas que inalamos, quanto mais profundamente eles penetram nos pulmões, levando a uma inflamação dos alvéolos pulmonares, bem como o sistema cardiovascular.

A natureza dessas partículas finas também é problemática. Eles são compostos de uma mistura de substâncias orgânicas e minerais com vários graus de perigo:água e carbono formam a base em torno da qual os sulfatos condensados, nitratos, alérgenos, metais pesados ​​e outros hidrocarbonetos com propriedades cancerígenas comprovadas.

Quanto a sua concentração, quanto maior for em termos de massa, quanto maior o risco para a saúde. A Organização Mundial da Saúde recomenda não exceder a exposição pessoal de 25 μg / m ³ para o PM2,5 como uma média de 24 horas e 50 μg / m ³ para o PM10. Nos últimos anos, limites foram constantemente excedidos, especialmente nas grandes cidades.

Os seres humanos não são os únicos afetados pelo perigo dessas partículas finas:quando são depositadas, eles contribuem para o enriquecimento de ambientes naturais, que também pode levar à eutrofização, um fenômeno em que quantidades excessivas de nutrientes, como o nitrogênio transportado pelas partículas, são depositados no solo ou na água. Isso pode levar à proliferação de algas que podem sufocar os ecossistemas locais. Além disso, devido à reação química do nitrogênio com o ambiente circundante, a eutrofização geralmente leva à acidificação do solo. O solo que é mais ácido torna-se drasticamente menos fértil:a vegetação se esgota, e lenta mas inexoravelmente, as espécies morrem.

De onde eles vêm?

Emissões de partículas finas originam-se principalmente de atividades humanas:60% de PM10 e 40% de PM2.5 são gerados a partir da combustão de madeira, especialmente de lareira ou fogão de aquecimento, 20% a 30% são provenientes de combustíveis automotivos (o diesel é o número um). Finalmente, quase 19% das emissões nacionais de PM10, e 10% das emissões de PM2,5 resultam de atividades agrícolas.

Para ajudar as autoridades públicas a limitar e controlar essas emissões, a comunidade científica deve melhorar a identificação e quantificação dessas fontes de emissões, e deve obter uma melhor compreensão de sua variabilidade espacial e temporal.

Leituras complexas e caras

Hoje, leituras de partículas finas são baseadas principalmente em duas técnicas.

Primeiro, as amostras são retiradas dos filtros; eles são tirados após um dia inteiro e analisados ​​em um laboratório. Além do fato de que os dados estão atrasados, o equipamento analítico usado é caro e complicado de usar; um certo nível de especialização é necessário para interpretar os resultados.

A outra técnica envolve fazer medições em tempo real, usando ferramentas como o Aetalômetro Multi-comprimento de onda AE33, um dispositivo que é relativamente caro, acima de € 30, 000, mas tem a vantagem de fornecer medições a cada minuto ou até menos de um minuto. Também é capaz de monitorar o carbono negro (BC):pode identificar as partículas que se originam especificamente de reações de combustão. O monitor de especiação química de aerossol (ACSM) também vale a pena mencionar, pois torna possível identificar a natureza das partículas, e faz medições a cada 30 minutos. Contudo, seu custo de 150, 000 euros significa que o acesso a este tipo de ferramenta está limitado a especialistas de laboratório.

Dado seu custo e nível de sofisticação, há um número limitado de sites na França equipados com essas ferramentas. Graças a essas simulações, a análise das médias diárias possibilita a criação de mapas com grade de 50km por 50km.

Uma vez que estes meios de medição não permitem estabelecer um mapa em tempo real com escalas espaço-temporais mais finas - em termos de km ² e minutos - os cientistas começaram recentemente a procurar novas ferramentas:microssensores de partículas.

Como funcionam os microssensores?

Pequena, luz, portátil, barato, fácil de usar, ... os microssensores conectados parecem oferecer muitas vantagens que complementam a gama de técnicas analíticas pesadas mencionadas acima.

Mas quão confiáveis ​​são esses novos dispositivos? Para responder a esta pergunta, precisamos olhar para suas características físicas e metrológicas.

Atualmente, vários fabricantes estão competindo pelo mercado de microssensores:a britânica Alphasense, a chinesa Shinyei e a fabricante americana, Honeywell. Todos eles usam o mesmo método de medição:detecção óptica usando um diodo laser.

O princípio é simples:o ar, sugado pelo ventilador, flui através da câmara de detecção, que é configurado para remover as partículas maiores, e retém apenas as partículas finas. O ar, carregado com partículas, flui através do sinal óptico emitido pelo diodo laser, cujo feixe é difratado por uma lente.

Um fotodetector colocado em frente ao feixe emitido registra diminuições na luminosidade causadas pelas partículas que passam, e conta o número por intervalos de tamanho. O sinal elétrico do fotodiodo é então transmitido para um microcontrolador que processa os dados em tempo real:se a taxa de fluxo de ar for conhecida, o número da concentração pode então ser determinado, e então a missa, com base nos intervalos de tamanho, como pode ser visto na figura abaixo.

Da versão mais básica à versão totalmente integrada (incluindo software de aquisição e processamento de dados, e transmissão de medição via computação em nuvem), o preço pode variar de 20 a 1, 000 euros para os sistemas mais elaborados. Isso é muito acessível, em comparação com as técnicas mencionadas acima.

Podemos confiar em microssensores?

Primeiro, deve-se observar que esses microssensores não fornecem informações sobre a composição química das partículas finas. Somente as técnicas descritas acima podem fazer isso. Contudo, o conhecimento da natureza das partículas fornece informações sobre sua origem.

Além disso, o sistema microssensor usado para separar partículas por tamanho é freqüentemente rudimentar; testes de campo mostraram que, embora as partículas mais finas (PM2.5) sejam monitoradas razoavelmente bem, muitas vezes é difícil extrair a fração PM10 sozinha. Contudo, as partículas mais finas são precisamente o que mais afetam nossa saúde, portanto, essa lacuna não é problemática.

Em termos de limites de detecção / quantificação, quando os sensores são novos, é possível atingir limites razoáveis ​​de aproximadamente 10 µg / m ³ . Eles também têm níveis de sensibilidade entre 2 e 3µg / m ³ (com uma incerteza de aproximadamente 25%), que é mais do que suficiente para monitorar a dinâmica de como as concentrações de partículas mudam na faixa de concentração de até 200 µg / m ³ .

Contudo, hora extra, os detectores fluídicos e ópticos desses sistemas tendem a ficar entupidos, levando a erros nos resultados. Os microssensores devem, portanto, ser calibrados regularmente, conectando-os aos dados de referência, como os dados divulgados por agências de controle de poluição do ar.

Este tipo de ferramenta é, portanto, ideal para um diagnóstico instantâneo e semiquantitativo. A ideia não é fornecer uma medição extremamente precisa, mas sim relatar as mudanças dinâmicas na poluição do ar por partículas em uma escala com níveis baixo / médio / alto. Devido ao baixo custo dessas ferramentas, eles podem ser distribuídos em grandes números no campo, e, portanto, ajudam a fornecer uma melhor compreensão das emissões de partículas.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.