Il particolato atmosferico, o aerosol, è costituito dalle particelle liquide o solide che “galleggiano” nell’aria e ha degli effetti molto importanti sul clima e sulla salute umana. Una tecnica di misura della concentrazione di tali particelle si basa sull’interazione che esse hanno con la radiazione solare ed è possibile costruire, con pochi euro, un semplice strumento che sfrutti questo principio. E’ ciò che hanno realizzato quindici studenti delle 
classi quarta e quinta del Liceo Scientifico “Patini – Liberatore” di Castel di Sangro e dell’Istituto “Majorana” di Avezzano in uno stage di tre giorni (29-31 agosto 2017) presso il Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche e il CETEMPS dell’Università degli Studi dell’Aquila. L’apparato realizzato è un fotometro solare a LED e l’attività è stata svolta nell’ambito di un progetto di alternanza scuola-lavoro.
Gli aerosol sono immessi in atmosfera dalla combustione, come quella che avviene nei motori e durante gli incendi, dall’erosione meccanica del suolo e del mare da parte del vento e da numerosi altri processi fotochimici che scaturiscono dall’attività umana e della biosfera. Un esempio eclatante della loro presenza nei cieli Abruzzesi si è avuto recentemente, in seguito ai numerosi incendi che hanno devastato il patrimonio boschivo regionale.
Il fotometro solare è uno strumento che sfrutta l’attenuazione della radiazione solare da parte degli aerosol atmosferici per stimarne il cosiddetto “contenuto colonnare”, ovvero la concentrazione media nella colonna d’aria sulla verticale del punto in cui si effettua una misura. Gli aerosol, infatti, rendono l’atmosfera più opaca per i raggi solari e il grado di opacità, che è proporzionale alla concentrazione delle particelle, è associato a una grandezza fisica chiamata “spessore ottico”. Calcolando la differenza tra la radiazione solare misurata a terra e quella che ci si aspetterebbe in assenza di aerosol, si può stimare lo spessore ottico di questi ultimi e quindi risalire alla loro concentrazione. Una rete automatizzata di fotometri solari professionali (ognuno del costo di circa 20 mila euro) gestita dalla NASA è distribuita sul globo (Aerosol Robotic Network, AERONET) e fornisce costantemente (e gratuitamente) dati relativi agli strati di aerosol che viaggiano intorno al Pianeta: il CETEMPS è parte attiva di questa rete dal maggio 2014.
Il fotometro solare “fai-da-te” realizzato dagli studenti di Avezzano e Castel di Sangro è basato sull’utilizzo di LED controllati da una scheda Arduino. I LED sono le lucine a basso consumo e alta luminosità ormai molto diffuse in casa, nelle auto e altrove. Hanno il pregio di emettere una luce molto pura di un solo colore (ovvero intorno a una precisa lunghezza d’onda) e di essere molto economici. Non tutti sanno, però, che essi possono essere utilizzati anche come “ricevitori” di luce, ovvero possono misurarne l’intensità se utilizzati in senso inverso a quello usuale: invece di ricevere corrente e illuminarsi, essi possono generare corrente quando vengono illuminati. La scheda di sviluppo per prototipi elettronici Arduino, anch’essa molto economica e di facile utilizzo anche per i non esperti, svolge il ruolo di “computer di bordo” dello strumento: acquisisce la corrente prodotta dai LED e ne visualizza il valore su un display LCD. Il costo totale del materiale necessario non supera la ventina di euro.
Nei tre giorni di stage gli studenti hanno avuto modo di apprendere alcune nozioni di base sull’atmosfera e sulla fenomenologia degli aerosol, di prendere confidenza con la scheda Arduino e il suo ambiente di programmazione e hanno imparato a controllare con essa vari tipi di LED e un display LCD. Hanno poi caratterizzato ciascun LED, misurando a quale lunghezza d’onda ciascuno di essi fosse più sensibile. Infine, hanno costruito un fotometro con due LED selezionati e condotto i primi test di funzionamento.
Alle ore 14:57 di giovedì 31 agosto 2017, essi sono stati in grado di effettuare la prima misura in campo dello spessore ottico degli aerosol in località Coppito (sede dell’Università).
L’esperimento non è tuttavia concluso. I quattro fotometri realizzati sono ora custoditi dai quattro gruppi di lavoro e verranno utilizzati nei prossimi mesi per effettuare misure più o meno routinarie e soprattutto per una campagna di calibrazione finale: essa serve a stabilire quale sia la costante da inserire nei calcoli, per rappresentare la radiazione solare che verrebbe misurata se non ci fosse l’attenuazione da parte dell’atmosfera. Per quest’ultimo cruciale passaggio, saranno necessarie misure da mezzogiorno al tramonto durante una giornata con cielo sereno e aria molto pulita (ovvero con pochi aerosol, ad esempio dopo una giornata di pioggia abbondante).
Un breve resoconto dell’esperienza vissuta all’Università e delle misure effettuate verrà presentato dagli stessi studenti in occasione della quarta Giornata Scienza e Ambiente UNIVAQ che si terrà il 16 marzo 2018 presso l’Aula Magna del Dipartimento di Scienze Umane (ex Ospedale San Salvatore, in centro).
Qui accanto, il confronto tra il fotometro professionale della rete AERONET e uno dei prototipi low-cost realizzati dagli studenti.
La storia non finisce dunque qua: a presto per la seconda puntata!
Autore dell’articolo: Gabriele Curci.